反應(yīng)堆壓力容器直接安注工況下的旁流現(xiàn)象數(shù)值仿真分析

張明乾，林　潤

反應(yīng)堆壓力容器直接安注工況下的旁流現(xiàn)象數(shù)值仿真分析

張明乾，林潤

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司 工程研發(fā)所，廣東 深圳 518172）

采用直接安注技術(shù)的反應(yīng)堆在發(fā)生大破口事故（LB-LOCA）時(shí)，從直接安注接管進(jìn)入壓力容器的冷卻水會有一部分在反應(yīng)堆壓力容器環(huán)腔內(nèi)高速水蒸汽的夾帶下不經(jīng)過堆芯而從破口冷管段直接流出，這部分旁流量會減少流經(jīng)堆芯的冷卻水，對堆芯安全性至關(guān)重要。本研究以典型百萬千瓦級三環(huán)路壓水堆中一個(gè)環(huán)路的冷管段發(fā)生LB-LOCA事故為例，建立了再淹沒階段的反應(yīng)堆環(huán)腔數(shù)值模型，采用CFD方法研究了反應(yīng)堆內(nèi)汽液兩相流動(dòng)規(guī)律，獲得了安注水通過直接安注接管進(jìn)入壓力容器后的旁流份額和環(huán)腔內(nèi)液位的動(dòng)態(tài)變化特性。研究結(jié)果表明，計(jì)算得到的兩相流動(dòng)特性與類似實(shí)驗(yàn)觀察到的關(guān)鍵物理現(xiàn)象一致。本研究建立的數(shù)值模型和分析方法能夠應(yīng)用在直接安注技術(shù)方案論證設(shè)計(jì)中。

直接安注；旁流；兩相流；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生失水事故時(shí)，應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)向反應(yīng)堆壓力容器注入冷卻水，防止堆芯因缺少冷卻劑而不斷升溫，并提供事故后對堆芯長期冷卻的能力?！胺磻?yīng)堆壓力容器直接注入”（“ Direct Vessel Injection”，簡稱DVI）技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)功能的方式之一，在發(fā)生失水事故時(shí)，通過安裝在壓力容器筒體上的若干安注接管將冷卻水直接注入到反應(yīng)堆壓力容器中。DVI技術(shù)已經(jīng)在多種壓水堆堆型中應(yīng)用，目前開展的DVI技術(shù)的相關(guān)試驗(yàn)表明，在主管道大破口（LB-LOCA）事故工況下的長期再淹沒階段，從完整冷管段流入到反應(yīng)堆壓力容器環(huán)腔內(nèi)的高速水蒸汽，會夾帶一部分從直接安注接管注入到反應(yīng)堆壓力容器環(huán)腔內(nèi)的冷卻水，不經(jīng)過堆芯而從破口冷管段直接流出（即“旁流量”）[1-3]，從而減少了流經(jīng)堆芯的冷卻水流量（見圖1）。由于注入堆芯的有效流量對堆芯安全性至關(guān)重要，因此有必要對這種旁流現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。

圖1　直接安注工況下的旁流現(xiàn)象示意圖

Dong-Hyeog Yoon等人采用CFD方法建立了簡化的局部矩形空間域，使用兩相流均質(zhì)模型研究了橫向流動(dòng)氣體對注入流體流動(dòng)特性的影響，給出了不同工況下注入流體進(jìn)入導(dǎo)流裝置內(nèi)的流量情況[4]。Tae-Son Kwon等人使用FLUENT軟件建立了原型和1/5縮比的APR1400反應(yīng)堆壓力容器環(huán)腔模型，在不考慮冷卻水注入的情況下，分析并對比了氣體入射后環(huán)腔內(nèi)單相氣體流場的相似性，同時(shí)，還建立了1/2環(huán)腔模型，在不考慮橫向氣體流動(dòng)的情況下，采用VOF模型分析了安注冷卻水注入環(huán)腔后的液膜分布特征[5]。西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為了研究反應(yīng)堆壓力容器承壓熱沖擊，通過比例模型試驗(yàn)開展了多種工況下的單相流體混合特性試驗(yàn)，并使用FLUENT 5.4軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬[6,7]。秦勉等人基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析方法，采用流固共軛傳熱方式，針對AP1000堆芯補(bǔ)水箱熱態(tài)功能試驗(yàn)等多種工況，研究了反應(yīng)堆壓力容器壁面溫度瞬態(tài)變化以及環(huán)腔下降段內(nèi)單相流體的混合特性[8]。翁羽等人使用數(shù)值方法獲得了CAP1000不同安全注射條件的單相流體工況下的堆內(nèi)構(gòu)件表面整體溫度分布和換熱系數(shù)[9]。文獻(xiàn)［4，5］雖然采用兩相流模型分析了橫向流動(dòng)氣體對注入流體的影響，但都沒有直接建立反應(yīng)堆相關(guān)區(qū)域的模型，且采用的物理模型對氣、液兩相間的作用力考慮不足，沒有計(jì)算旁流份額，因而無法通過理論計(jì)算直接評估安注過程中流經(jīng)堆芯冷卻劑流量的有效性；文獻(xiàn)［6-9］是為了評價(jià)反應(yīng)堆壓力容器承壓熱沖擊而開展的單相流體交混傳熱計(jì)算，并沒有對氣液兩相流動(dòng)情況下的旁流現(xiàn)象進(jìn)行研究。目前尚未看到采用理論計(jì)算手段對直接安注工況下的氣液兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)。本研究采用CFD方法獲得了安注水通過直接安注接管進(jìn)入壓力容器后的旁流份額和環(huán)腔內(nèi)液位的動(dòng)態(tài)變化特性，采用理論手段評估了直接安注過程中冷卻水進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)有效份額的情況，在直接安注技術(shù)方案論證和比選設(shè)計(jì)中提供了一種技術(shù)手段。

1 計(jì)算模型

1.1　幾何模型及網(wǎng)格劃分

目前已經(jīng)開展過很多針對LB-LOCA現(xiàn)象的試驗(yàn)研究，對壓水堆LB-LOCA事故的主要進(jìn)程和熱工水力現(xiàn)象已具有一定共識。LB-LOCA事故一般是冷管段雙端剪切斷裂最為嚴(yán)重，事故進(jìn)程可以分為噴放階段、再灌水階段、再淹沒階段和長期冷卻階段。再淹沒階段是從反應(yīng)堆壓力容器環(huán)腔液位到達(dá)堆芯底部位置開始，是提供堆芯足夠冷卻的重要階段，應(yīng)保證有足夠的冷卻水流經(jīng)堆芯區(qū)域。隨著直接安注冷卻水的注入，環(huán)腔液位不斷上升，再淹沒階段產(chǎn)生的旁流現(xiàn)象只發(fā)生在環(huán)腔區(qū)域。本研究考慮典型三環(huán)路壓水堆中一個(gè)環(huán)路的冷管段發(fā)生LB-LOCA事故，開始時(shí)大量冷卻劑從破口冷管段流出壓力容器，同時(shí)壓力容器內(nèi)的冷卻劑被堆芯加熱后產(chǎn)生大量蒸汽，向上流入上腔室，之后通過熱管段，經(jīng)兩個(gè)完整環(huán)路后從冷管段重新流入壓力容器環(huán)腔，環(huán)腔內(nèi)液位不斷下降，直至再淹沒階段開始后，由于直接安注水不斷注入，環(huán)腔內(nèi)液位開始上升，在蒸汽夾帶作用下，部分直接安注冷卻水從破口冷管段流出壓力容器。本研究選取反應(yīng)堆環(huán)腔區(qū)域進(jìn)行建模，采用ANSYS ICEM軟件進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分（見圖2），其中三個(gè)主管道區(qū)域采用“O grid”網(wǎng)格，并對速度梯度較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，開展網(wǎng)格敏感性分析（共劃分五套網(wǎng)格：190萬，250萬，300萬，420萬，510萬），當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于250萬時(shí)旁流份額的相對偏差不大于5%，最終選取的網(wǎng)格數(shù)量為300萬（見圖3）。

圖2　反應(yīng)堆壓力容器網(wǎng)格模型

圖3　不同網(wǎng)格數(shù)量的旁流份額變化

1.2　物理模型及邊界條件

首先采用RELAP5/SCDAP Mod3.4程序進(jìn)行LB-LOCA事故進(jìn)程分析，獲得直接安注過程中的瞬態(tài)參數(shù)，之后以RELAP5獲得的瞬態(tài)參數(shù)為邊界條件，采用ANSYS CFX軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，獲得環(huán)腔內(nèi)局部的兩相三維流動(dòng)特性。其中，RELAP5程序是一維、兩流體、六方程、非平衡模型的機(jī)理性程序，可對反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及二回路系統(tǒng)的熱工水力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行模擬。ANSYS CFX是一款計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)商用分析軟件，可以對局部的三維流動(dòng)特性進(jìn)行模擬。

在LB-LOCA事故工況的冷卻水注入階段，反應(yīng)堆環(huán)腔內(nèi)涉及蒸發(fā)、冷凝、沸騰、傳熱、氣液交混等復(fù)雜的熱工水力現(xiàn)象，但由于試驗(yàn)技術(shù)手段的局限，目前已經(jīng)開展的實(shí)驗(yàn)尚無法對所有現(xiàn)象進(jìn)行研究，且目前成熟的數(shù)值分析模型也很難同時(shí)對這些現(xiàn)象進(jìn)行較好模擬，為簡化分析，目前相關(guān)研究的數(shù)值分析模型都沒考慮相變和相間傳熱[4,10,11]。本研究也暫不考慮相變和傳熱影響，僅考慮氣液相間的動(dòng)量交換，實(shí)際上，這種假設(shè)對于研究流經(jīng)堆芯有效流量方面的問題來說是保守的。LB-LOCA事故工況下再淹沒階段開始后，冷卻水從直接安注接管注入到反應(yīng)堆壓力容器環(huán)腔后，一部分冷卻水在重力作用下向下流入底部腔室，環(huán)腔液位逐漸上升；一部分冷卻水在蒸汽作用下從破口冷管段流出，汽、液間存在動(dòng)量交換，為真實(shí)反映環(huán)腔內(nèi)冷卻水和蒸汽的相互作用，應(yīng)考慮相間滑移速度，選取ANSYS CFX程序中的非均質(zhì)自由液面歐拉多相流模型。

以RELAP5計(jì)算獲得的兩種典型參數(shù)為輸入（高安注流量階段和低安注流量階段），冷卻水流速（DVI接管1、2）和完整環(huán)路（環(huán)路1、2）的蒸汽流速如表1所示。蒸汽從兩個(gè)完整環(huán)路流入環(huán)腔，冷卻水從兩個(gè)DVI接管流入環(huán)腔，在ANSYS CFX程序中設(shè)置為速度入口邊界。蒸汽和部分冷卻水從破口冷管段流出，在程序中設(shè)置為壓力出口邊界，其它面設(shè)置為無滑移壁面。模型中水和蒸汽的物性參數(shù)分別取對應(yīng)環(huán)境條件下的數(shù)值。計(jì)算起始時(shí)刻環(huán)腔內(nèi)全部充滿水蒸汽?？紤]反應(yīng)堆環(huán)腔內(nèi)存在強(qiáng)曲率的流動(dòng)特征，湍流模型選擇計(jì)算較穩(wěn)定的k-模型[12]。

表1　LB-LOCA事故工況下冷卻水和蒸汽流速

旁流份額按照公式（1）計(jì)算：

式中：——旁流份額；

DVI1——從安注接管1注入的冷卻水的流量；

DVI2——從安注接管2注入的冷卻水的流量；

Eypass——從破口冷管段流出的冷卻水的流量。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1　工況一計(jì)算結(jié)果

工況一計(jì)算時(shí)長為40s，計(jì)算域內(nèi)冷卻水和蒸汽體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，計(jì)算初始時(shí)刻反應(yīng)堆環(huán)腔內(nèi)充滿蒸汽（體積分?jǐn)?shù)為1），冷卻水通過DVI接管注入壓力容器后，隨著時(shí)間推移，環(huán)腔內(nèi)蒸汽的體積分?jǐn)?shù)不斷減小，環(huán)腔內(nèi)冷卻水的體積分?jǐn)?shù)不斷增大，在大約20 s時(shí)，環(huán)腔內(nèi)水和蒸汽的體積分?jǐn)?shù)相對穩(wěn)定。

圖4　冷卻水和蒸汽體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化情況

旁流份額和環(huán)腔液位隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。從圖5可以看出，在P1階段（起始時(shí)刻至A1），旁流份額維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值（小于11.3%），該階段液位從零逐漸上升至A2（4.3 m），液位處在相對較低位置。在P2階段（A1至B2），隨著液位繼續(xù)升高，旁流份額開始增大，這是因?yàn)橐何簧叩揭欢ǜ叨群?，環(huán)腔內(nèi)蒸汽流速較高，足以“拖拽”環(huán)腔內(nèi)頂部液面區(qū)域的流體涌向破口冷管段區(qū)域，并從破口冷管段流出，開始發(fā)生“拽溢”（Sweepout）現(xiàn)象，使得旁流份額迅速增大。在P3階段（B2以后），“拽溢”現(xiàn)象逐步穩(wěn)定，液位維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的高度（約5.4 m），該液位已接近壓力容器入口管嘴高度，從DVI接管注入的冷卻水幾乎全部從破口冷管段流出，旁流份額在100%附近以較大幅度波動(dòng)，此時(shí)環(huán)腔內(nèi)汽液兩相的流動(dòng)變得非常不穩(wěn)定。

圖5　環(huán)腔液位及旁流份額隨時(shí)間變化情況

2.2　工況二計(jì)算結(jié)果

工況二計(jì)算時(shí)長為150 s，計(jì)算域內(nèi)冷卻水和蒸汽的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，計(jì)算初始時(shí)刻反應(yīng)堆環(huán)腔內(nèi)充滿蒸汽（體積分?jǐn)?shù)為1），冷卻水通過DVI接管注入壓力容器后，隨著時(shí)間推移，環(huán)腔內(nèi)蒸汽的體積分?jǐn)?shù)不斷減小，環(huán)腔內(nèi)冷卻水的體積分?jǐn)?shù)不斷增大，在大約100 s時(shí)，環(huán)腔內(nèi)水和蒸汽的體積分?jǐn)?shù)相對穩(wěn)定。

圖6　冷卻水和蒸汽體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化情況

旁流份額和環(huán)腔液位隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。從圖7可以看出，在P1階段（從初始時(shí)刻至A1），旁流份額維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值（小于15.6%），該階段液位從零逐漸上升至A2（4.7 m），液位處在相對較低位置，在P1階段末期（靠近A1），旁流份額有短時(shí)間的減小，這是由于環(huán)腔液位升高到接近A2時(shí)，環(huán)腔內(nèi)頂部液面區(qū)域的流體在高速流動(dòng)的蒸汽作用下開始發(fā)生“拽溢”現(xiàn)象，因此時(shí)液面距離DVI接管高度較近，頂部液面區(qū)域流體在高速蒸汽帶動(dòng)下與DVI接管注入的冷卻水產(chǎn)生短時(shí)交疊，該過程導(dǎo)致旁流份額短時(shí)減小。在P2階段，“拽溢”現(xiàn)象逐步穩(wěn)定，液位維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的高度（約5 m），該階段的液位已接近壓力容器入口管嘴高度，從DVI接管注入的冷卻水幾乎全部從破口冷管段流出，旁流份額在100%附近以一定幅度波動(dòng)，此時(shí)環(huán)腔內(nèi)汽液兩相的流動(dòng)變得比較不穩(wěn)定。

圖7　環(huán)腔液位及安注旁流份額隨時(shí)間變化情況

圖8給出了工況二在不同時(shí)刻環(huán)腔內(nèi)冷卻水的體積分布云圖，從圖8可以看出：

（1）冷卻水從安注接管進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器環(huán)腔后，先到達(dá)固定在吊籃壁面上的導(dǎo)流裝置，在導(dǎo)流裝置的作用下改變流動(dòng)方向，向下流向環(huán)腔底部，并呈現(xiàn)沿吊籃外壁向兩側(cè)逐漸擴(kuò)散的趨勢，在環(huán)腔液位較低時(shí)［見圖8（a）］，由于環(huán)腔內(nèi)橫向流動(dòng)的水蒸汽作用，部分冷卻水會被水蒸汽夾帶而從破口冷管段流出，向下流動(dòng)的冷卻水也會向冷管段一側(cè)偏移。這部分從破口冷管段直接流出的冷卻水為“直接旁流份額”。

（2）在環(huán)腔液位上升到一定高度后［見圖8（b）］，由于水蒸汽對液面的拖拽作用，環(huán)腔內(nèi)頂部液面區(qū)域的流體在高速流動(dòng)的蒸汽作用下開始發(fā)生“拽溢”現(xiàn)象，使得靠近破口冷管段附近的液面有一定程度的抬高，水蒸汽會攜帶一部分環(huán)腔內(nèi)液體從破口冷管段流出。這部分從破口冷管段流出的冷卻水為“拽溢旁流份額”。前述兩部分旁流構(gòu)成了反應(yīng)堆壓力容器直接安注工況下的總旁流份額。

（3）反應(yīng)堆壓力容器和吊籃出口管嘴在環(huán)腔形成“屏障”，阻擋冷卻水被蒸汽直接帶向破口冷管段，并減弱“拽溢”液面的影響區(qū)域，從而可有效減弱旁流效應(yīng)。

（4）旁流在破口冷管段流出時(shí)，沿管道壁面流動(dòng)，集中分布在管道底部偏向兩側(cè)區(qū)域，管道中心和頂部區(qū)域?yàn)榱鲃?dòng)的蒸汽。

本研究獲得的前述反應(yīng)堆壓力容器環(huán)腔內(nèi)的兩相流動(dòng)規(guī)律與已經(jīng)開展的類似直接安注試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是吻合的[2,3]。

圖8　工況二冷卻水體積分布

3 結(jié)論

以典型三環(huán)路壓水堆中一個(gè)環(huán)路的冷管段發(fā)生LB-LOCA事故為例，采用CFD軟件，開展了LB-LOCA事故工況下反應(yīng)堆內(nèi)復(fù)雜兩相流動(dòng)規(guī)律的研究工作，并與已開展的類似試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，研究結(jié)論可為后續(xù)試驗(yàn)方案的制定和DVI技術(shù)方案論證提供指導(dǎo)。研究過程中還針對不同安注流量、不同破口位置、不同結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)流裝置等工況對旁流份額的影響進(jìn)行了敏感性分析，隨安注流量的不同，旁流特性會發(fā)生一定變化，由于現(xiàn)象的機(jī)理復(fù)雜，無法給出統(tǒng)一的關(guān)系式，因此本文只給出了典型工況下旁流份額隨環(huán)腔內(nèi)液位的變化關(guān)系：

（1）在工況一，當(dāng)環(huán)腔液位小于4.3 m時(shí)，旁流主要由蒸汽夾帶形成，旁流份額維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值（小于11.3%）。隨著液位升高，發(fā)生“拽溢”現(xiàn)象，旁流份額逐漸增大，在液位達(dá)到出口管嘴位置附近時(shí)，旁流份額接近100%。

（2）在工況二，當(dāng)環(huán)腔液位小于4.7 m時(shí)，旁流主要由蒸汽夾帶形成，旁流份額維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值（小于15.6%）。隨著液位升高，發(fā)生“拽溢”現(xiàn)象，旁流份額有一個(gè)短時(shí)間的下降，隨后快速升高，并在液位達(dá)到出口管嘴位置附近時(shí)，旁流份額接近100%。

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Computational Fluid Dynamics Study of the Bypass Phenomena during Direct Vessel Injection in the Reactor Pressure Vessel

ZHANG Mingqian，LIN Run

（China Nuclear Power Design Company，Ltd，Engineering Research & Development Department，Shenzhen of Guangdong Prov. 518172，China）

The water injected through the direct vessel injection (DVI) nozzle is easily bypassed out to the broken cold leg by a cross flow of high-speed steam in the downcomer during a large-break loss-of-coolant accident (LB-LOCA) for the reactor using DVI technology. This bypass fraction of the injected water due to the cross flow could reduce the water into the reactor core, which is considered to be an important safety issue. A numerical model during the LB-LOCA reflood phase is developed to investigate the steam-liquid two-phase flow behavior for a typical pressurized water reactor. The bypass fraction and the water level in the downcomer with the time are obtained for evaluating the cross flow effects by computational fluid dynamics (CFD) analysis. It is found that the present study could model the key physical phenomena reported in other experimental study. The results indicated that this analysis practice could be guidance for the DVI design and improve our understanding of the reactor thermal-hydraulic behavior.

Direct vessel injection; Bypass; Two-phase flow; Computational fluid dynamics

TL364+.4

A

0258-0918（2021）06-1138-07

2020-11-17

張明乾（1984—），江蘇徐州人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)從事反應(yīng)堆工程方面研究