壓水堆下腔室水力特性數(shù)值研究

楊洪建，陳德峰，李 錚，李言瑞

(1.哈爾濱工程大學(xué)，核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，哈爾濱150001;2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢430064)

國內(nèi)外學(xué)者對于下腔室的相關(guān)研究主要采用數(shù)值模擬和熱工水力實驗[1－5]兩種方法.相對于熱工水力實驗的方法，數(shù)值模擬具有成本低、速度快、更為接近實際模型等優(yōu)點，因此采用計算機進行計算分析已經(jīng)成為了一種被廣大學(xué)者所認(rèn)可的研究方法.Yvan Fournier、Christelle Vurpillot等[6]采用數(shù)值計算的方法研究了壓水堆下腔室、環(huán)形下降段以及堆芯的流場分布.在建立了與實體模型尺寸相一致模型后，研究者在劃分網(wǎng)格時采用了非一致的思想，整體劃分了543 438個六面體網(wǎng)格，其中下腔室263 842個網(wǎng)格.采用非一致的思想能夠使得下腔室網(wǎng)格數(shù)量大幅度下降，有利于計算.但是，這會給數(shù)據(jù)處理帶來不便.并且采用非一致思想劃分的網(wǎng)格，在計算時相鄰兩層網(wǎng)格差值為非連續(xù)的，計算數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生誤差.Ji Hwan Jeong、Byoung－Sub Han 等[7－10]，在采用 CFD 方法對下腔室進行研究時，為了減化計算，對模型進行了簡化，假設(shè)下腔室是中心對稱的.因此，在研究時，選取了1/4的下腔室建立模型.但是，下腔室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜極其不規(guī)則，不具有中心對稱的幾何特性.因此這一假設(shè)會給計算帶來一定的誤差.

本文以秦山二期壓水堆電站作為研究對象，對其下腔室進行數(shù)值模擬.采用四面體網(wǎng)格劃分方法進行網(wǎng)格劃分，最終得到了下腔室內(nèi)部的流場、壓力場分布情況以及下腔室出口處的流量分配情況，并對結(jié)果進行了分析.

1 計算模型

1.1 幾何模型

環(huán)形下降段部分結(jié)構(gòu)簡單，在建立模型時較為輕松.下腔室內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括以下幾個部分:堆芯支撐板、徑向支撐塊、兩層連接板、壓力支撐緩沖器以及一些支撐柱、測量管等.下腔室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜給建模帶來了巨大的困難，為此需要對下腔室模型進行相關(guān)的簡化.簡化的基本原則為簡化那些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時又對流場的影響較為小的一些部件.

依據(jù)該原則，對于下腔室內(nèi)部的螺釘、螺母等一些小的部件不予以考慮;由于安全壓力緩沖器對于流場影響相對較小，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會增加網(wǎng)格劃分難度.它與下腔室壁面不相接觸，而且兩者間的間距很小，劃分網(wǎng)格時，在這個位置會形成質(zhì)量較差的網(wǎng)格，為此對壓力安全緩沖器也不予以考慮.經(jīng)過簡化，最終建立了滿足計算要求的下腔室模型，圖1、2、3、4分別為環(huán)形下降段俯視圖、下腔室俯視圖、下腔室內(nèi)部示意圖以及兩層連接板俯視圖.

圖1 環(huán)形下降段俯視圖

圖2 下腔室俯視圖

圖3 下腔室內(nèi)部示意圖

圖4 連接板俯視圖

1.2 網(wǎng)格劃分

下腔室內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，給網(wǎng)格劃分帶來了巨大的困難.它主要體現(xiàn)在:

1)內(nèi)部管路眾多，而且管徑大小不一;

2)兩層連接板形狀極其不規(guī)則，容易產(chǎn)生質(zhì)量差的網(wǎng)格;

3)圓管與下腔室外壁面相交，產(chǎn)生不規(guī)則的截面.

考慮到上述情況，在對下腔室進行網(wǎng)格劃分時，采用四面體網(wǎng)格.圖5展示了下腔室網(wǎng)格分布情況.

飲食治療要點：忌吃或少吃含膽固醇高的食物，如動物內(nèi)臟、蛋黃、魷魚、墨魚、魚子等。應(yīng)適量攝入含膽固醇不太高的食物，如瘦肉、魚類和奶類。適當(dāng)增加植物油，每月吃500g～750g植物油(豆油、玉米油、菜油等)比較理想。多吃蔬菜、瓜果，以增加纖維的攝入。多吃些有降膽固醇作用的食物，如大豆及其制品、洋蔥、大蒜、香菇、木耳等。

圖5 下腔室網(wǎng)格

對于環(huán)形下降段部分，由于其結(jié)構(gòu)簡單，因此采用六面體網(wǎng)格進行劃分.圖6展示了環(huán)形下降段網(wǎng)格分布情況.

圖6 環(huán)形下降網(wǎng)格

1.3 下腔室網(wǎng)格無關(guān)性分析

對下腔室進行研究時，由于下腔室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)量較多，因此劃分了四種不同數(shù)量的網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性分析.在對這四種網(wǎng)格進行計算時，統(tǒng)一采用k–ε湍流模型進行計算，入口處速度都選取為2.2 m/s，相關(guān)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)見表1所示.在四組網(wǎng)格計算精度達到后1×10－5，選取下腔室中心線處速度進行比較分析(見圖7).從圖7中可以看出，Case 2、Case 3、Case 4的結(jié)果較為相近，而Case 1與前三組相比存在較大差異.在考慮計算精度的同時還必須合理的利用計算資源，因此，Case 2是較為合理的一組網(wǎng)格.

表1 網(wǎng)格數(shù)據(jù)表

1.4 計算條件

計算過程中，流動的工質(zhì)為水，假定為單相、不可壓縮，溫度為40℃，壓力為0.5 MPa.工質(zhì)的雷諾數(shù)數(shù)量級為，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程湍流模型以及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進行相關(guān)計算.計算結(jié)果要求達到.

環(huán)形下降段入口處速度選取為5.81 m/s，環(huán)形下降段出口選定為壓力出口0.5 MPa.下腔室入口處速度，采用環(huán)形下降段出口計算所得的速度進行賦值，下腔室出口選定為壓力出口0.5 MPa.

2 計算結(jié)果與分析

2.1 流場分析

對于環(huán)形下降段以及下腔室流場分析主要采用流線圖.圖8展示了環(huán)形下降段流場分布情況.從圖中可以看出環(huán)形下降段流場分布規(guī)律:流體從環(huán)形下降段的兩個入口沿水平方向流入，再由水平方向的圓管中流出，然后會成放射狀向四周流去.在這一過程中，由于流體速度較大，大部分流體會繼續(xù)沿水平方向流動，這部分流體會撞擊到環(huán)形下降段內(nèi)壁上，然后向四周流去.由于內(nèi)壁面成圓柱形，因此大部分流體會沿水平方向向兩側(cè)流動，最后受到重力的作用，流體向下流動，流至環(huán)形下降段出口.這一過程，使得流體在出口處分布出現(xiàn)不均勻的情況.在環(huán)形下降段兩個入口的正下方出口處，流體流速較小;而在與之相距90°的位置，流體的流速較大.圖9、10展示了下腔室流場分布情況(圖10為圖9旋轉(zhuǎn)90°)，從圖中可以看出下腔室流場分布規(guī)律:環(huán)形下降段兩個入口正下方兩個區(qū)域的流體流速較小，這兩部分流體在進入下腔室后，未能流至下腔室底部，而是直接通過支撐板流向出口;在與環(huán)形下降段入口正下方區(qū)域的相距90°的兩個區(qū)域，這兩部分流體的流速較大，進入下腔室后繼續(xù)流動直至下腔室底部.兩部分流體在下腔室底部出現(xiàn)混合，由于兩者流動方向相反，因此混合后的流體成倒八字形向上流動，依次通過兩層鏈接板、支撐板，最終從出口處流出.

圖8 環(huán)形下降段流場分布

圖9 下腔室流場分布

圖10 下腔室流場分布

2.2 下腔室壓力場分析

圖11中給出了下腔室所受壓力分布情況.從壓力分布圖中可以看出，最大壓力出現(xiàn)在兩塊支撐塊及其附近壁面處.由于下腔室入口處流體分布不均勻，而且流體豎直向下流經(jīng)支撐塊會與之發(fā)生碰撞，因此下腔室入口流速較大區(qū)域下方的支撐塊將承受最大的壓力.對于下腔室內(nèi)的若干圓管，從圖12中可以看出，靠近下腔室底部的圓管，所受的壓力較大，越往上所受壓力越小.這是由于流體從下腔室底部流向出口時，由于受到若干結(jié)構(gòu)的阻礙，流體流速逐漸降低的緣故.同樣的道理，下層的連接板所受壓力要大于上層的連接板.

圖11 下腔室壓力分布圖

圖12 下腔室內(nèi)部圓管所受壓力分布圖

2.3 下腔室出口流量分析

流體從下腔室中流出后將會進入到堆芯中，因此下腔室對于堆芯起著流場分配的作用.由于堆芯的流動特性決定其換熱特性，為了確保堆芯的安全，進入堆芯的冷卻劑應(yīng)當(dāng)盡量的均勻.圖13為下腔室出口處流場分布.

為了能更好的分析下腔室出口流量分配情況，根據(jù)堆芯燃料組件的分布情況，將下腔室出口的區(qū)域劃分為三個部分進行分析，如圖14所示.通過計算最終得到了在三個區(qū)域內(nèi)單個燃料組件通道的平均流量，如圖15所示.從圖中可以看出下腔室出口處流量分布都滿足同一規(guī)律:由中心至邊緣，流量依次遞減.

圖13 下腔室出口速度分布

圖14 下腔室出口區(qū)域的劃分

圖15 三個區(qū)域內(nèi)單個燃料組件通道的平均流量

3 結(jié)論

本文對反應(yīng)堆下腔室進行了模擬，并對計算結(jié)果進行了分析.研究結(jié)果表明:

1)下腔室部分最大壓力出現(xiàn)在主要兩塊支撐塊及其附近壁面處;

2)下腔室出口處流體流量分布遵循從中心至邊緣依次遞減這一規(guī)律.

以上的研究結(jié)論有待進一步分析驗證，同時該結(jié)果為反應(yīng)堆安全分析提供了一些經(jīng)驗，有一定的借鑒意義.

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