CAP1000一體化堆頂組件風冷系統(tǒng)流場分析

于 浩 張 明 馮少東 郝國鋒 翁 羽

（上海核工程研究設計院 上海 200233）

CAP1000一體化堆頂組件風冷系統(tǒng)流場分析

于 浩 張 明 馮少東 郝國鋒 翁 羽

（上海核工程研究設計院 上海 200233）

為驗證反應堆一體化堆頂組件的設計能否滿足功能要求，采用計算流體力學(CFD)方法對CAP1000改進設計的一體化堆頂組件冷卻系統(tǒng)進行流場分析，獲得了冷卻系統(tǒng)的流場分布，從而為不同工況下的風機選型要求和一體化堆頂組件冷卻系統(tǒng)功能提供了技術支持。

CAP1000，一體化堆頂組件，流場分析，計算流體力學

反應堆一體化堆頂組件(Integrated head package，IHP) 是三代非能動核電技術的重要創(chuàng)新設計之一，其與反應堆壓力容器堆頂集成調裝的功能大大簡化了反應堆換料的工序，節(jié)省了換料所用的時間，體現(xiàn)了設計上的先進性[1]。為控制棒驅動機構(Control rod drive mechanism CRDM)的磁軛線圈提供冷卻是一體化堆頂組件主要功能之一，因此，設計中保留了IHP的冷卻系統(tǒng)。這一系統(tǒng)在設計上與我國傳統(tǒng)核電廠采用的CRDM冷卻方式變動較大，相關的設計經驗比較缺乏。

本文以CAP1000反應堆的IHP冷卻系統(tǒng)為主要研究對象，針對該系統(tǒng)完成對CRDM冷卻功能的過程，采用計算流體動力學(Computational fluid dynamics CFD)的方法，建立有限元分析模型，研究IHP的冷卻流場的分析方法，考察風機設置和布局的合理性，驗證風機性能，計算出IHP流場分布情況，為探索CAP1000反應堆的CRDM冷卻方法，改進IHP的設計提供技術支持。

1 結構簡介

一體化堆頂組件的通風冷卻系統(tǒng)由風機、風閥、風管、風管配件、風管支承、通風圍板、圍筒、儀表及電氣部件等組成，以滿足設計規(guī)范書中對控制棒驅動機構磁軛線圈部件的冷卻要求。一體化堆頂組件的結構如圖1所示[2]。

控制棒驅動機構冷卻空氣通過圍筒上的風門進入圍筒。通風圍板安裝于風門上方的圍筒內側，在控制棒驅動機構周圍形成間隙一致的通道，以提供均勻的冷卻空氣。風管為冷卻空氣提供了從通風圍板上方流出圍筒的通道，并將空氣引入風機。冷卻空氣在IHP中的流動路徑如圖2所示。

圖1 一體化堆頂組件三維模型Fig.1 IHP 3-D model.

圖2 IHP冷卻風的流動路徑圖Fig.2 IHP flow path configuration.

2 計算方法

IHP流場冷卻計算是以CFD的方法完成流場和溫度場的計算分析工作。計算部分用ANSYS CFX 12.0程序進行計算，整個計算的模型首先以Autodesk Inventor軟件構建，通過ANSYS Workbench軟件導入分析模塊，在ANSYS Workbench中完成計算域的組合后用ANSYS ICEM-CFD進行網格劃分，最后經CFX-Pre進行計算設置，通過CFX-Solver Manager進行計算，再通過CFD-Post評估計算，取出計算結果，得到模型壓降和出口溫度，確定CRDM區(qū)域的流速，可視化流場。

2.1模型簡化

為了有效控制計算的精度，IHP流場模型需要進行適度的簡化。由于CRDM組件的尺寸復雜，與IHP整體相比，其結構尺寸較小，在整體網格處理中會遇到很大困難。為了減少計算量，將整個模型拆分成單個CRDM換熱模型和IHP整體流場模型二部分分別建模，在整體模型中，將每一個CRDM組件簡化成只有換熱壁面的柱狀模擬體。這樣，整體模型保留IHP冷卻路徑上的主要結構，如風門、CRDM通風圍板、IHP圍筒、DRPI板、風管等結構，對于CRDM的磁軛線圈的區(qū)域采用簡化的柱狀模型代替，將磁軛線圈的發(fā)熱功率采用均布的方法加載到CRDM區(qū)，風機的區(qū)域保留其內部形狀，但不模擬風機葉片，而在出口區(qū)域加載風機載荷。在冷風入口處模擬自由空氣構建入口模塊，采用Inventor完成的IHP風冷CAD模型如圖3所示，左邊是整體模型，右邊是單個CRDM的模型。在分析計算過程中采用以下假定條件：

圖3 IHP風冷模型示意圖Fig.3 IHP flow model configuration.

1) 為了保證計算的實施，對模型進行了一定的簡化，簡化了模型的接口、圍筒內布置的電纜、CRDM抗震結構和風機內的葉片等，這些位置的能量損失都考慮在模型中，因此，這些改動對分析影響可以忽略；

2) 在計算CRDM區(qū)的阻力系數(shù)時，假定阻力的方向是一維的，忽略橫向流的影響。

2.2網格處理

通過Inventor軟件中的ANSYS插件，將完成的整體IHP幾何模型導入Workbench中進行網格處理。處理的過程中，先采用Geometry模塊將CAD模型中不同的模塊組合成同一個計算域，后采用Workbench下集成的ICEM-CFD進行網格處理，由于模型比較復雜，用四面體網格進行處理。不同疏密的網格對于計算的結果有一定的影響，為了做到與網格無關性，需要對不同數(shù)量的網格進行計算測試，經測試，選用的計算模型網格單元數(shù)為320萬個[3,4]。單個CRDM的模型主要是為了獲取換熱系數(shù)，為更加精確的計算，采用的尺寸更小，網格數(shù)為520萬。

2.3邊界設置

IHP工作的環(huán)境為安全殼內，流體介質為常溫下的空氣，由于流體速度較大，結構復雜，產生湍流。計算選用的流體介質為可壓縮的理想氣體模型，參考壓力為一個標準大氣壓，熱傳遞方式為熱能模式，湍流模型選用工業(yè)上常用的k-Epsilon。除了整體域的設置之外，對CRDM子域的能量邊界進行設置，在各向同性的能量損失選項中選取“線性和二次項系數(shù)”時需要計算二次項系數(shù)的阻尼系數(shù)。阻尼系數(shù)的計算輸入來自設計規(guī)范書中要求的CRDM線圈間的平均設計流量為15 m·s?1，根據(jù)單個模型的計算結果，得到二次阻尼系數(shù)為9.643 kg·m?4。

由圖1可知，CAP1000核電廠的IHP在設計中預置了4個風機，但規(guī)范書要求在正常工況下，只有2個風機工作，風機的位置如圖4所示，由于位置并不完全對稱，因此，需要驗證不同位置的風機組合是否能夠滿足設計的要求。在計算過程中，將風機A設置為速度出口，風機B、C、D依次設置為速度出口，不在運行狀態(tài)的風機設置為壁面邊界條件，以模擬兩個風機正常運行的工況。

CRDM產生的熱載荷根據(jù)設計規(guī)范書中規(guī)定，假設每個CRDM組件產生的熱載荷為12 kW，總的為69個為828 kW，從圍筒傳遞到系統(tǒng)的熱載荷為15 kW，因此，總的系統(tǒng)熱載荷為843 kW。將這一熱載荷以均布能量的方式加到整體模型的CRDM邊界上。

圖4 IHP風機位置示意圖Fig.4 IHP fan position configuration.

3 分析結果

單個CRDM模型分析的目的是為考察CRDM區(qū)的阻力換算系數(shù)，整體模型的目的是為驗證風機的運行組合是否能夠滿足設計規(guī)范書的要求。

3.1 CRDM模型

單根CRDM模型的阻力特性包括垂直方向上的阻力系數(shù)和水平方向上的阻力系數(shù)。設定單根CRDM計算模型的入口邊界條件為風機運行體積流量在69根CRDM上的平均值(0.417 kg·m·s?1)，垂直阻力計算的入口流從下方垂直掠過CRDM，水平阻力計算的入口流從水平方向橫掠過CRDM磁軛線圈區(qū)。計算得到的CRDM磁軛線圈的壓降和阻力系數(shù)如表1所示。計算得到的垂直方向流場分布如圖5和圖6所示，由于CRDM磁軛線圈外殼使用分節(jié)設計，當流體沿垂直方向流過其外部時，相當于流過多級突擴、突縮管，則在此過程中將產生較大的結構阻力，從壁面靜壓云圖5可以看出。

表1 CRDM磁軛線圈阻力特性Table 1 CRDM coil stack resistance coefficients.

圖5 CRDM垂直壁面靜壓云圖Fig.5 CRDM vertical static pressure contour distribution.

圖6 CRDM垂直壁面流線圖Fig.6 CRDM vertical streamline distribution.

3.2 IHP模型

整體IHP模型分別計算了AB、AC和AD 3種組合下的工況，計算結果顯示，最大壓降值出現(xiàn)在AC組合中為1.017 kPa，最小壓降值出現(xiàn)在AB組合中為0.987 kPa。CRDM間平均流速在3個模型中都為25.8 m·s?1，大于規(guī)范書要求的15 m·s?1。AC組合的最小流速為22.0 m·s?1，AB和AD組合的最小流速為21 m·s?1，大于規(guī)范書要求的9 m·s?1，證明了3種組合工況都能滿足規(guī)范書要求。以A、B 2個風機同時運行的工況為例，圖7給出了冷卻系統(tǒng)的總壓分布云圖，圖8給出了系統(tǒng)的流線分布圖，圖9給出了CRDM區(qū)中部豎直方向的速度分布云圖，圖10給出了風機A和B運行時2個運行風機的速度剖面對比分布云圖。

圖7 系統(tǒng)的總壓分布云圖(AB)Fig.7 System model total pressure contour distribution(AB).

圖8 系統(tǒng)的流線圖(AB)Fig.8 System model streamline distribution(AB).

圖9 CRDM區(qū)中部豎直方向的速度分布云圖(AB)Fig.9 System model velocity contour distribution-CRDM slice plane (middle)(AB).

圖10 兩個運行風機的速度剖面對比分布云圖(AB)Fig.10 FanA and FanB velocity contour distribution(AB).

4 結語

通過對CAP1000反應堆的一體化堆頂組件冷卻系統(tǒng)進行研究，采用CFD的方法，將系統(tǒng)進行建模分析，證明了所選風機的合理性和IHP設計的科學性。數(shù)值模擬的結果表明：CAP1000一體化堆頂冷卻系統(tǒng)的設計能有效的為CRDM磁軛線圈提供冷卻，通過對其流場的考察，證明不同風機組合下能實現(xiàn)設計規(guī)范書的要求。

1 孫漢虹, 程平東, 繆鴻興, 等. 第三代核電技術AP1000[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010: 229–230 SUN Hanhong, CHENG Pingdong, MIAO Hongxing, et al. Generation III Nuclear Power Plant AP1000[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010: 229–230

2 閔鵬. 一體化堆頂組件設計規(guī)范書[S]. 上海: 上海核工程研究設計院, 2011 MIN Peng. Design Specification for Integrated Head Package(IHP)[S]. Shanghai: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2011

3 浦廣益. ANSYS Workbench 12 基礎教程與實例詳解[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010: 33–64 PU Guangyi. ANSYS Workbench 12 Foundation Course and Detailed Examples[M]. Beijing: China Water Power Press, 2010: 33–64

4 孫紀寧. ANSYS CFX 對流傳熱數(shù)值模擬基礎應用教程[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010: 189–211 SUN Jining. ANSYS CFX convective heat transfer numerical simulation foundation course[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010: 189–211

CAP1000 integrated head package airflow system fluid field analysis

YU Hao ZHANG Ming FENG Shaodong HAO Guofeng WENG Yu
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: The Integrated Head Package (IHP) is required to provide CRDM cooling. Purpose: In order to evaluate the CRDM ventilation system to ensure that there is adequate flow to cool the CRDMs. Methods: The CFD method is used to calculate the fluid field of CAP1000 reactor IHP airflow system. Results: This analysis demonstrates that the IHP design meets or exceeds the requirements and will therefore provide the required cooling air flow to the CRDMs. Conclusions: The results will provide the technical support for the choice and design of cooling fan.

CAP1000, Integrated head package, Fluid field analysis, CFD

TL45，TB65

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040624

于浩，男，1982年出生，2008年于上海交通大學工程力學系獲碩士學位，研究方向：反應堆結構力學

2012-10-31，

2012-12-07

CLC TL45, TB65