先進(jìn)安注箱阻尼器水力特性數(shù)值模擬分析

賀艷秋 張 妍 袁朝飛

(中國核動力研究設(shè)計院中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室，四川 成都610041)

0 引言

核電廠依靠傳統(tǒng)安注箱滿足再灌水階段的大流量需求，并依靠低壓安注系統(tǒng)來滿足再淹沒和長期冷卻階段的小流量需求。若低壓安注系統(tǒng)不能及時啟動將使堆芯不能被有效冷卻，而導(dǎo)致堆芯熔化的嚴(yán)重事故發(fā)生。為此，日本和韓國率先設(shè)計了一種可改變注入流量的先進(jìn)安注箱[1，2]，即在安注箱內(nèi)增加阻力調(diào)節(jié)裝置——阻尼器，并開展了相關(guān)理論分析和實驗研究。國內(nèi)也有研究人員針對不同的先進(jìn)安注箱特性開展過一些數(shù)值模擬[3-5]。

由于阻尼器的存在，先進(jìn)安注箱在大流量注入后自動過渡到小流量注入，其效果如傳統(tǒng)壓水堆的低壓安注泵投入初期的注射特性。因此先進(jìn)安注箱不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)安注箱，還可以獲得較長的寬限時間以啟動低壓安注系統(tǒng)，更進(jìn)一步可能取消低壓安注系統(tǒng)，以完成低壓安注功能。這不僅減少了能動安全設(shè)施，使系統(tǒng)得以簡化，且避免了人為干預(yù)可能產(chǎn)生的誤操作，提高了安全性。

為進(jìn)一步認(rèn)識阻尼器水力學(xué)特性，本文采用CFD方法針對典型結(jié)構(gòu)形式的阻尼器開展了數(shù)值模擬，獲得了不同安注階段的阻尼器流場特點和壓降特性，分析了影響阻尼器壓降特性的關(guān)鍵因素，為阻尼器及先進(jìn)安注箱設(shè)計優(yōu)化提供技術(shù)支持和參考。

1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

使用UG三維制圖軟件對阻尼器進(jìn)行幾何建模，利用ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件對其進(jìn)行四面體/六面體網(wǎng)格劃分，并開展了網(wǎng)格敏感性分析。

阻尼器幾何及網(wǎng)格劃分示意如圖1所示，阻尼器主要由漩渦室、大管、小管和出口管組成。網(wǎng)格質(zhì)量直方圖如圖2所示，最低質(zhì)量0.354，最高質(zhì)量0.999，平均質(zhì)量0.718。出口平均流速隨網(wǎng)格數(shù)量的變化結(jié)果如圖3所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到55.6萬時，結(jié)果已經(jīng)不隨網(wǎng)格數(shù)量變化而變化。

圖1 幾何及網(wǎng)格劃分圖

圖2 網(wǎng)格的質(zhì)量直方圖

圖3 出口平均流速隨網(wǎng)格數(shù)量的變化情況

邊界條件設(shè)置為：大小管入口流速邊界，出口管壓力邊界，壁面無滑移邊界，整個過程不考慮傳熱。出口管方向考慮重力加速度為9.81 m/s2。

2 結(jié)果分析

2.1 流場特點

圖4給出了不同安注階段阻尼器橫截面速度云圖。在大流量階段，流體分別經(jīng)大管和小管流進(jìn)漩渦室，在漩渦室內(nèi)部產(chǎn)生交混后，流進(jìn)出口管；小流量階段，流體經(jīng)小管流進(jìn)漩渦室，在漩渦室內(nèi)部周向旋轉(zhuǎn)，最終流進(jìn)出口管。圖5給出了大小管入口交匯處的流速矢量圖。由圖可知，大流量階段，由于來自大管和小管的流體相互沖擊，使得兩股流體在切向的流速相互抵消，形成沿直徑方向流至漩渦室出口的匯合流量。小流量階段，由于沒有來自大管流體的相互作用，小管流體沿漩渦室切向進(jìn)入，在漩渦室周向強烈旋轉(zhuǎn)，呈旋渦狀流向漩渦室出口。

圖4 不同流量階段，阻尼器橫截面速度云圖

圖5 不同流量階段，阻尼器大小管交匯處速度矢量圖

2.2 壓降特性

圖6 給出了不同安注階段，阻尼器總壓降隨流量的變化情況。由圖可知，在不同安注階段，隨流量的增加，總壓降均增大。

圖6 阻尼器總壓降隨流量變化情況

定義壓降系數(shù)K，總壓降與壓降系數(shù)有如下關(guān)系：

式中，ΔPt為漩渦室進(jìn)出口總壓降，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；A為安注管出口的截面積，m2；Q為安注流量，kg/s。

不同安注階段下的壓降系數(shù)K如圖7所示。結(jié)果表明，兩種安注階段下的壓降系數(shù)不隨流量的改變而改變。大流量安注階段，壓降系數(shù)約1.07，小流量安注階段，壓降系數(shù)約10.59。小流量安注階段漩渦室的壓降系數(shù)約是大流量安注階段的10倍。

圖7 阻尼器壓降系數(shù)隨流量變化情況

在不同安注階段，阻尼器的壓降系數(shù)均為常數(shù)，只要確定了先進(jìn)安注箱內(nèi)氮氣空間與堆芯的壓差，就可以根據(jù)壓降系數(shù)計算得到安注流量。反之，在系統(tǒng)設(shè)計時可根據(jù)不同安注階段所需的流量，確定所需的壓降系數(shù)。

2.3 大流量安注階段的壓降特性

典型阻尼器結(jié)構(gòu)包括兩個具有一定夾角的入口和一個出口，示意如圖8所示。在大流量階段，阻尼器阻力系數(shù)最小的條件應(yīng)為大小流量管注射的切向動量之和等于零[6]。而且，合成流量方向必須指向漩渦室出口中心。即與漩渦室相切方向的動量分量的大小相等，且方向相反。

圖8 典型結(jié)構(gòu)阻尼器示意圖

其中，Q為體積流量，V為流速，下標(biāo)S，L分別表示小流量和大流量。φ為小管流速與阻尼器切線夾角，ψ為大管流速與阻尼器切線夾角，θ為大小入口流量的夾角。它們之間關(guān)系為φ+θ+ψ=180°。另外，QS=VSbH，QL=VLBH，H為漩渦室的高度，b為小管邊長，B為大管邊長。

求解上式得如下關(guān)系式：

由此可知，在確定的幾何條件下，存在一個最優(yōu)比流速，使得阻尼器壓降系數(shù)最小。該最優(yōu)比流速與大小管與阻尼器切線夾角、大小管寬度之比有關(guān)。對于給定的幾何參數(shù)，如本文幾何建模所用參數(shù)：小管沿切線方向進(jìn)入阻尼器，則φ為0°，大小管夾角θ為110°，則φ為70°，由上式可以得到VL/VS=5/5.6。

表1給出了特定幾何結(jié)構(gòu)下，兩個入口流速取不同值時，阻尼器的壓損特性計算結(jié)果。由此可知，阻尼器在最優(yōu)比流速VL/VS=20/22.4=5/5.6條件下，壓降系數(shù)最小，計算結(jié)果與理論分析一致。

圖9給出了表1對應(yīng)工況下，總壓降和壓降系數(shù)隨安注流量的變化情況。由圖可知，阻尼器的壓降系數(shù)與大小管入口流速的比值有關(guān)；不同流速比條件下，壓降系數(shù)有較大差異；總壓降并不與出口流速成正比。

圖9 大流量安注階段，阻尼器壓損特性

表1 不同流速?工況阻尼器壓損特性

實際設(shè)計阻尼器時，可通過在大小管入口處增設(shè)形阻，以獲得不同的流速比，從而獲得不同的壓降系數(shù)。通常阻尼器在大流量階段壓降系數(shù)取最小，這樣帶來的益處在于相同的流量需求和堆芯壓力下，安注箱初始壓力可設(shè)置在較低水平，具有一定的經(jīng)濟性。

2.4 小流量安注階段的壓降特性

小流量安注階段，為了在漩渦室內(nèi)形成盡可能強烈的漩渦，小管沿切線方向進(jìn)入漩渦室。任一位置處的切向速度Vr等于[6]：

考慮漩渦室內(nèi)部渦旋的壓損，則有：

其中，n是反應(yīng)漩渦室內(nèi)渦旋類型的參數(shù)，n=1時，表示強迫渦旋，n=-1時，表示自由渦旋，實際情況中，n介于-1到1之間，與漩渦室的幾何特性和水物性有關(guān)。

此外，小流量安注階段壓降系數(shù)主要與出口管與漩渦室直徑的比值有關(guān)。根據(jù)上述計算參數(shù)，反推至n=-0.368，屬于自由渦旋與強迫渦旋組合的混合渦旋。假設(shè)n不變，且保持阻尼器出口管徑不變，由上式可知，阻尼器半徑R越大，小流量階段壓降系數(shù)越大。

表2給出了不同阻尼器直徑，小流量安注階段，阻尼器壓損特性計算結(jié)果，并將計算結(jié)果繪制于圖10。由圖可知，在小流量安注階段，總壓降和壓降系數(shù)隨阻尼器直徑的增大而呈現(xiàn)增大趨勢。

圖10 小流量安注階段，阻尼器壓損特性

表2 不同阻尼器直徑下阻尼器壓損特性

綜上，只要具有類似結(jié)構(gòu)特性的阻尼器，均可以獲得兩個差值較大的壓降系數(shù)。在先進(jìn)安注箱阻尼器設(shè)計時，根據(jù)不同安注階段所需的流量比，選定阻尼器壓降系數(shù)比，再結(jié)合阻尼器的壓損特性，確定阻尼器的具體幾何參數(shù)。

3 結(jié)論

本文采用CFD軟件對具有典型結(jié)構(gòu)特點的阻尼器開展了數(shù)值模擬，獲得了阻尼器水力學(xué)特性，分析了不同安注階段阻尼器的流場特點和壓降特性，獲得了影響阻尼器壓降特性的關(guān)鍵因素。所獲結(jié)論如下：

（1）阻尼器具有兩種明顯不同流場和壓降特點的水力學(xué)特性，大流量階段呈現(xiàn)交混壓降特性，小流量階段呈現(xiàn)漩渦壓降特性。小流量階段阻尼器壓降系數(shù)可達(dá)大流量階段的10倍。

（2）大流量階段，阻尼器壓降系數(shù)與大小管入口流速、大小管寬度、大小管與阻尼器切線夾角有關(guān)，在確定的幾何條件下，存在一個最佳流速比，使得阻尼器在大流量安注階段的壓降系數(shù)最小。

（3）小流量安注階段，阻尼器壓降系數(shù)與阻尼器直徑和出口管直徑之比有關(guān)，在出口管直徑不變的情況下，壓降系數(shù)隨阻尼器直徑的增大而增大。