CFR600泵支承氬氣空間部分三維傳熱數(shù)值模擬

林 超，楊紅義，周志偉

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

中國示范快堆(CFR600)主容器液面以上由氬氣填充，快堆滿功率運行狀態(tài)下，高溫鈉液面及結(jié)構(gòu)部件通過輻射向主容器及貫穿件設(shè)備傳遞熱量，氬氣空間同時還存在自然對流換熱及固體導(dǎo)熱[1-2]，對主容器及泵支承等結(jié)構(gòu)部件的安全有重要影響。泵支承結(jié)構(gòu)貫穿氬氣空間，為維持泵支承處于相對較低溫度的工作環(huán)境，設(shè)置鈉泵支承冷卻通道，泵支承與冷卻通道屏蔽之間存在環(huán)狀縫隙[3]，環(huán)隙內(nèi)的氬氣發(fā)生自然對流會加劇泵支承周向的溫度梯度，從而使泵支承在圓周方向上有較大的熱應(yīng)力[4]。根據(jù)日本文殊堆的堆外實驗?zāi)M裝置SPINTA和相應(yīng)的一回路主泵溫度測量可知，泵支承周向的溫差最高可達(dá)240 ℃[5]。因此，研究位于氬氣空間內(nèi)的泵支承結(jié)構(gòu)溫度分布對快堆設(shè)計安全具有重要意義。

本文采用商用流體力學(xué)軟件Fluent對CFR600氬氣空間及結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)共軛傳熱計算，旨在通過計算域的共軛傳熱計算與流場分析研究快堆實際運行過程中氬氣空間結(jié)構(gòu)部件的溫度分布狀況。與以往研究將外部區(qū)域簡化方式不同，本文將泵支承結(jié)構(gòu)置于完整的氬氣空間流動換熱環(huán)境內(nèi)進(jìn)行計算，重點分析泵支承結(jié)構(gòu)及周圍氬氣環(huán)境的流動換熱特點。

1 結(jié)構(gòu)分析

圖1 氬氣空間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of argon space structure

氬氣空間計算涉及的結(jié)構(gòu)部件有主容器錐頂蓋、泵支承、IHX/DHX支承、提升換料機結(jié)構(gòu)、堆內(nèi)屏蔽、通道屏蔽、電離室通道、充排鈉管、溫度計、液位計等[6]。泵支承位于氬氣空間內(nèi)，鈉冷示范快堆氬氣空間計算域的特點是總體尺寸大，直徑達(dá)十幾m，泵支承等貫穿件結(jié)構(gòu)外側(cè)有屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽結(jié)構(gòu)間的環(huán)隙尺寸僅幾十mm，跨尺度特性明顯[7-8]，氬氣空間結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，泵支承的安裝位置及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

氬氣空間區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算域內(nèi)的流動換熱方式為自然對流換熱、固體導(dǎo)熱及輻射換熱的復(fù)合換熱[9-12]，具體如下：1) 自然對流換熱，溫差驅(qū)動氬氣在腔體及支承件間隙流動并傳遞熱量；2) 固體導(dǎo)熱，浸于熱池內(nèi)的貫穿件結(jié)構(gòu)從液面高溫端向上導(dǎo)出熱量；3) 輻射換熱，鈉液面及高溫部件向低溫部件輻射熱量。

圖2 泵支承區(qū)域結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of pump support area

2 計算建模分析

氬氣空間結(jié)構(gòu)緊湊，空間跨尺度特性明顯，建模工作復(fù)雜，幾何建模階段以三維建模工具提取氬氣空間計算域；建立薄層網(wǎng)格和多面體網(wǎng)格的混合網(wǎng)格模型；以Fluent作為計算求解器，按此流程完成氬氣空間的幾何建模、網(wǎng)格建模和數(shù)值計算。

2.1 幾何及網(wǎng)格建模

圖3 泵支承區(qū)域網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.3 Grid independence validation of pump support area

氬氣空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依托三維建模工具對結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行合理簡化，保留了計算關(guān)注的關(guān)鍵特征，提取了氬氣空間計算域的幾何模型，導(dǎo)入網(wǎng)格生成工具建立薄層網(wǎng)格和多面體網(wǎng)格的混合網(wǎng)格。為探究網(wǎng)格計算效果，選取包含1個泵支承的扇形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，驗證對比效果如圖3所示。泵支承區(qū)域網(wǎng)格如圖4所示，該扇形區(qū)域在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到2 500萬左右的計算結(jié)果趨于穩(wěn)定。此種網(wǎng)格建模方式能保證對氬氣空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)有較好的貼體性和網(wǎng)格質(zhì)量，又能在保證計算精度的前提下降低網(wǎng)格數(shù)量?；诰W(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果，最終氬氣空間總體網(wǎng)格數(shù)量為1.6億。

圖4 泵支承區(qū)域網(wǎng)格模型及分布Fig.4 Grid model and distribution of pump support area

2.2 湍流模型及輻射模型

氬氣空間內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，跨尺度特性明顯，屬于典型的自然循環(huán)流動，北京航空航天大學(xué)張金明[13]對自然對流換熱情況下的湍流模型對比進(jìn)行了探討，通過綜合對比發(fā)現(xiàn)，采用k-ε模型和混合長模型的計算結(jié)果較SST模型和SA模型的結(jié)果更貼近試驗數(shù)據(jù)的真實情況?？紤]到整體計算模型的跨尺度特性，選取適應(yīng)性更強的RNGk-ε湍流模型[14]，模型方程如下。

湍動能k方程為：

(1)

耗散率ε方程為：

(2)

其中：Ck=0.09～0.11；Cε=0.07～0.09；C1ε=1.41～1.45；C2ε=1.91～1.92。

本方案提出兩種部署方案，分別為新啟用機房采用物理SDN組網(wǎng)方式(原有機房暫時不改動)和采用軟件SDN改造原有虛擬資源池。對比如表1所示。

氬氣空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輻射計算量較大，將氬氣空間的輻射視為灰體輻射，綜合對比，選取Fluent中的DO模型作為輻射模型。

2.3 邊界條件及物性參數(shù)

1) 邊界條件

氬氣空間位于熱池鈉液面以上，外部是反應(yīng)堆堆坑環(huán)境，計算邊界條件的給定要充分考慮熱池鈉液面以及運行過程中各結(jié)構(gòu)部件的流動換熱狀態(tài)。氬氣空間的上部邊界為堆坑環(huán)境及堆頂固定屏蔽冷卻通道，在錐頂蓋及堆頂固定屏蔽以下的部分給定自然對流換熱系數(shù)以及特征溫度，在泵支承、中間熱交換器(IHX)、獨立熱交換器(DHX)等貫穿件伸入堆頂固定屏蔽的位置給定相應(yīng)冷卻通道的對流換熱系數(shù)及特征溫度；氬氣空間下部邊界為熱池鈉液面及高溫的結(jié)構(gòu)部件，給定不同區(qū)域的溫度邊界條件，并設(shè)定各壁面貼近氬氣空間側(cè)的發(fā)射率[12-13]。液面和附近結(jié)構(gòu)部件溫度升高或壁面發(fā)射率增大，會使氬氣空間底部高溫鈉液面和結(jié)構(gòu)部件對錐頂蓋及其他設(shè)備的輻射效應(yīng)增強，對應(yīng)溫度也隨之升高，反之則會使錐頂蓋及其他設(shè)備的溫度降低。詳細(xì)邊界條件列于表1。

2) 物性參數(shù)

氬氣空間計算域內(nèi)涉及到的材料主要有氬氣、不銹鋼結(jié)構(gòu)部件、保溫層材料，氬氣空間計算為帶有輻射和對流換熱的耦合計算，物性參數(shù)對計算準(zhǔn)確性影響巨大，各類材料物性參數(shù)列于表2。計算模型考慮了結(jié)構(gòu)材料物性參數(shù)隨溫度變化對結(jié)果的影響。材料的發(fā)射系數(shù)參考對中國實驗快堆泵支承設(shè)計時材料參數(shù)[15]，并且發(fā)射率和吸收率相同。

表1 氬氣空間計算邊界條件Table 1 Boundary condition for calculation of argon space

表2 材料物性參數(shù)Table 2 Material property parameter

3 計算結(jié)果分析

本文先對原型設(shè)計方案進(jìn)行計算，計算結(jié)果顯示泵支承周向溫度梯度過大，又對原設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，再進(jìn)行計算，對比兩種設(shè)計方案下泵支承結(jié)構(gòu)的溫度場和速度場。

3.1 原型設(shè)計方案計算結(jié)果

1) 泵支承結(jié)構(gòu)溫度分布

圖5 泵支承表面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of pump support surface

泵支承結(jié)構(gòu)溫度分布如圖5、6所示。泵支承位于氬氣空間內(nèi)的部分在同一高度的周向上出現(xiàn)了較高的溫度梯度，最高溫度出現(xiàn)在靠近支承徑側(cè)，為469 ℃，最低溫度出現(xiàn)在遠(yuǎn)離支承徑側(cè)，為241 ℃，兩側(cè)最大溫差為228 ℃。結(jié)合泵支承周圍的流場分布可看到，在泵支承表面形成了兩個對轉(zhuǎn)的漩渦，并且遠(yuǎn)離支承徑側(cè)的循環(huán)流動與靠近支承徑側(cè)相比更為劇烈，氬氣對遠(yuǎn)離支承徑側(cè)的泵支承冷卻效果更強；其次，泵支承上端暴露在氬氣空間主體腔室內(nèi)，靠近支承徑側(cè)的鈉液面及結(jié)構(gòu)部件輻射量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離支承徑側(cè)的鈉液面及結(jié)構(gòu)部件；最后，遠(yuǎn)離支承徑側(cè)的泵支承壁面與低溫的泵支承接管之間的輻射面積更大，該側(cè)泵支承壁面向泵支承接管輻射散熱量遠(yuǎn)大于靠近支承徑側(cè)的輻射散熱量。以上均加劇了泵支承周向上的溫度梯度。泵支承表面的溫差過大會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，影響泵支承的運行安全。

圖6 泵支承靠近及遠(yuǎn)離支承徑兩側(cè)溫度對比Fig.6 Temperature comparison of pump support near and away from reactor center

2) 泵支承周圍流場速度分布

圖7 泵支承區(qū)域環(huán)隙中間截面速度矢量分布Fig.7 Velocity vector distribution of middle section of pump support area

泵支承區(qū)域環(huán)隙中間截面速度矢量分布如圖7所示。低溫氬氣在靠近支承徑側(cè)的環(huán)隙被加熱效果較遠(yuǎn)離支承徑側(cè)的更劇烈，在浮升力作用下向上匯集流動，在泵支承上部區(qū)域受到外部冷卻作用，轉(zhuǎn)而向下流動，形成兩個并列的漩渦結(jié)構(gòu)。在遠(yuǎn)離支承徑側(cè)，氬氣流速明顯高于靠近支承徑側(cè)，其主要原因有：1) 泵支承外側(cè)冷卻通道與主容器錐頂蓋以上的氬氣空間主體區(qū)域相連接，主體區(qū)域內(nèi)流速較大，且遠(yuǎn)離支承徑側(cè)與氬氣空間主體區(qū)域間的連接面積更大；2) 在遠(yuǎn)離支承徑側(cè)，泵支承結(jié)構(gòu)部件的溫度梯度要明顯大于靠近支承徑側(cè)，導(dǎo)致該側(cè)自然對流更為劇烈。

3.2 改進(jìn)型設(shè)計方案計算結(jié)果

由于原型設(shè)計方案的泵支承周向溫差過大，對設(shè)計方案進(jìn)行修改，將泵支承外側(cè)的兩層屏蔽結(jié)構(gòu)延伸至膨脹節(jié)下端，如圖8所示。改進(jìn)型設(shè)計的目的是：1) 將泵支承外側(cè)氬氣冷卻通道與氬氣空間主體腔室的聯(lián)通隔斷，降低氬氣空間主體區(qū)域?qū)Ρ弥С型鈧?cè)冷卻通道內(nèi)流動的影響，減小靠近和遠(yuǎn)離支承徑側(cè)之間的氬氣速度梯度；2) 延長后的冷卻通道屏蔽能降低泵支承與鈉液面及高溫部件間的輻射效應(yīng)；3) 延長后的冷卻通道屏蔽能降低遠(yuǎn)離支承徑側(cè)的泵支承與泵支承接管間的輻射效應(yīng)。

圖8 泵支承區(qū)域結(jié)構(gòu)變化Fig.8 Structure change of pump support area

1) 泵支承結(jié)構(gòu)溫度分布

改進(jìn)設(shè)計后的泵支承結(jié)構(gòu)溫度分布如圖9、10所示。通過改進(jìn)泵支承的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在同一高度的周向上的溫度梯度有了較大改善，最高溫度出現(xiàn)在靠近支承徑側(cè)，為431 ℃，最低溫度出現(xiàn)在遠(yuǎn)離支承徑側(cè)，為274 ℃，兩側(cè)最大溫差為157 ℃，相比于原型結(jié)構(gòu)的最大溫差228 ℃要低71 ℃，有效降低了泵支承周向的溫度梯度。結(jié)合泵支承周圍的流場分布情況可看到，在泵支承表面形成了兩個對轉(zhuǎn)的漩渦，由于冷卻通道不再與氬氣空間主體腔室聯(lián)通，泵支承外側(cè)的循環(huán)流動得到削弱；此外，泵支承上端與氬氣空間主體腔室隔絕，靠近反應(yīng)堆中心側(cè)和遠(yuǎn)離反應(yīng)堆中心側(cè)的輻射效應(yīng)也得以緩解，泵支承的周向溫度梯度明顯減小。改進(jìn)的設(shè)計方案優(yōu)化了泵支承結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，減弱了熱應(yīng)力對泵支承結(jié)構(gòu)的影響。

圖9 改進(jìn)設(shè)計泵支承表面溫度分布Fig.9 Surface temperature distribution of improved pump support scheme

圖10 改進(jìn)后泵支承靠近和遠(yuǎn)離支承徑兩側(cè)溫度對比Fig.10 Comparison of temperature distribution near and away from reactor center for improved pump support scheme

2) 泵支承周圍流場速度分布

圖11 改進(jìn)設(shè)計泵支承環(huán)隙中間截面速度矢量分布Fig.11 Velocity vector distribution of middle section for improved pump support scheme

改進(jìn)設(shè)計泵支承環(huán)隙中間截面速度矢量分布如圖11所示。改進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使泵支承被屏蔽結(jié)構(gòu)包圍，減弱了鈉液面及高溫部件對泵支承結(jié)構(gòu)的輻射作用，同時減弱了泵支承周圍的對流換熱效果，進(jìn)而減輕了泵支承周向的溫度梯度。在泵支承與屏蔽之間的環(huán)隙通道內(nèi)氬氣由于浮升力作用向上匯集流動，在泵支承上部區(qū)域受到外部冷卻作用，轉(zhuǎn)而向下流動，形成兩個并列的漩渦結(jié)構(gòu)；在遠(yuǎn)離支承徑側(cè)，由于氬氣流速明顯高于靠近支承徑側(cè)，使得遠(yuǎn)離支承徑側(cè)的對流換熱效果仍強于靠近支承徑側(cè)，但與原型設(shè)計方案相比兩側(cè)流速差異明顯減小。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用商用計算軟件Fluent對氬氣空間進(jìn)行整體計算，獲得了泵支承結(jié)構(gòu)的溫度場及泵支承周圍氬氣的速度場。原型設(shè)計方案計算結(jié)果表明，在泵支承靠近和遠(yuǎn)離支承徑兩側(cè)的溫度梯度較大，最大溫差為228 ℃。改進(jìn)型設(shè)計方案計算結(jié)果表明，新的設(shè)計方案有效緩解了泵支承周向溫度梯度過大的問題。由于計算中未考慮鈉氣溶膠的影響，本文計算更偏保守，泵支承在實際運行過程中的周向溫度梯度較計算值小。通過本計算可對泵支承結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有力的技術(shù)支撐，優(yōu)化泵支承結(jié)構(gòu)設(shè)計，保障反應(yīng)堆運行安全。