GASFLOW應(yīng)用于HTR－PM冷卻劑排放事故分析

于福江，孫喜明

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

GASFLOW應(yīng)用于HTR－PM冷卻劑排放事故分析

于福江，孫喜明＊

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

模塊式高溫氣冷堆（HTR－PM）在冷卻劑排放事故下的艙室承壓能力是反應(yīng)堆安全分析的重要對象。通過對FLUENT、GASFLOW和RELAP5的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)GASFLOW因其兼顧計算效率與計算結(jié)果合理性的特性，最適合反應(yīng)堆艙室在冷卻劑排放事故下的承壓計算。

HTR－PM；GASFLOW；冷卻劑排放事故

氣冷型反應(yīng)堆［1］中冷卻劑排放事故將對反應(yīng)堆包容體整體安全產(chǎn)生巨大挑戰(zhàn)，是事故分析的主要研究對象之一。有效準(zhǔn)確地對該事故工況進(jìn)行計算分析，對保證反應(yīng)堆的安全性有著重要意義。本文將針對清華大學(xué)設(shè)計的模塊式高溫氣冷堆（HTR－PM）［2］進(jìn)行冷卻劑排放事故分析。通過對比分析FLUENT、RELAP5和GASFLOW的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)經(jīng)典CFD軟件（如FLUENT和CFX等）和系統(tǒng)分析軟件（如RELAP5）應(yīng)用于這類工程問題的不足之處，并分析GASFLOW應(yīng)用于這類工程問題的可行性和優(yōu)點(diǎn)。

1 一回路艙室冷卻劑排放事故

HTR－PM一回路氦氣壓力為7MPa，平均溫度約600K，氦氣總質(zhì)量約3 000kg［3］。圖1為HTR－PM冷卻劑排放事故示意圖。高溫氣冷堆一回路艙室（包括反應(yīng)堆艙室和蒸發(fā)器艙室）體積約3 000m3，正常工況下艙室內(nèi)空氣溫度為473K。當(dāng)出現(xiàn)一回路氦氣斷管事故時，一回路氦氣泄漏到艙室［4］。如果艙室持續(xù)升壓至0．12MPa，將引發(fā)爆破膜爆破，艙室內(nèi)氣體通過直徑1．5m的泄壓管道向大氣排放［5］，使艙室壓力不超過0．135MPa的設(shè)計壓力。設(shè)計基準(zhǔn)事故中最嚴(yán)重的斷管事故是一回路艙室內(nèi)發(fā)生直徑65mm進(jìn)料管斷管事故，本文將對此進(jìn)行計算和分析。

2 事故分析及計算

2．1 理論分析

由上述事故工況參數(shù)可知，該問題屬高壓氣體臨界噴放問題，故可采用氣體等熵模型來分析該問題?，F(xiàn)利用氣體等熵關(guān)系得到臨界流的計算公式，并計算得到在7MPa、600K下直徑65mm斷管時的臨界質(zhì)量流量。

滯止?fàn)顟B(tài)與臨界狀態(tài)［6－7］的關(guān)系為：

其中：p＊、T＊、ρ＊、h＊為臨界壓力、溫度、密度、焓；p0、T0、ρ0、h0為滯止壓力、溫度、密度、焓；γ為比熱比。

應(yīng)用以上公式可知，破口處臨界質(zhì)量流量約為15kg／s。

2．2 利用FLUENT數(shù)值計算

對反應(yīng)堆進(jìn)料管直徑65mm斷管事故采用FLUENT進(jìn)行CFD模擬，計算模型參數(shù)如下：1）理想氣體多組份混合模型；2）k－ε湍流模型；3）非定常計算。

邊界條件設(shè)置為：1）入口邊界為定壓邊界，壓力為7MPa，溫度為600K；2）當(dāng)艙室壓力低于0．12MPa時，爆破膜為固壁邊界，當(dāng)艙室壓力高于0．12MPa時，爆破膜為內(nèi)部邊界；3）泄壓通道出口處為定壓邊界，壓力為0．1MPa，溫度為600K。

圖2為用GMABIT幾何建模得到的艙室模型網(wǎng)格圖，網(wǎng)格總數(shù)約為100萬。

圖2 艙室模型網(wǎng)格圖Fig．2 Grid model for cabin

應(yīng)用FLUENT對該模型進(jìn)行計算，分別統(tǒng)計A、B、C、D4點(diǎn)的壓力，得到如圖3所示的艙室壓力變化曲線。

由圖3可看出，雖然事故發(fā)生后約7s艙室內(nèi)氣體壓力就達(dá)到0．12MPa，引發(fā)爆破膜爆破，艙室內(nèi)氣體開始通過泄壓通道向大氣排放，但艙室內(nèi)壓力依然不斷升高。這是由于初始時刻艙室內(nèi)空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)開始泄壓時，空氣需在壓差的驅(qū)動下逐漸加速運(yùn)動，因而不能及時排出艙室外，故造成艙室內(nèi)壓力持續(xù)升高。在10s左右，因空氣已逐步被驅(qū)動起來而加速了泄壓，故升壓速度逐漸放緩。在15s左右，艙室內(nèi)空氣與氦氣的混合氣體向大氣的排出量與破口處氦氣的注入量已處于平衡狀態(tài)，故艙室內(nèi)整體承壓不再升高，但艙室內(nèi)混合氣體在壓差的驅(qū)動下依然在加速運(yùn)動，且氦氣所占的比例越來越大，因此泄壓通道的氣體排放量仍在不斷增加，故艙室壓力開始不斷降低。FLUENT計算結(jié)果準(zhǔn)確地反映出大體積艙室對于冷卻劑排放事故的緩沖作用。在整個事故過程中，艙室壓力分布不均勻，最大局部壓力峰值接近0．13MPa，整體平均壓力約0．127MPa，低于艙室承壓設(shè)計0．135MPa。

圖3 FLUENT計算結(jié)果Fig．3 Computation result of FLUENT

應(yīng)用FLUENT在8核2．8GHz計算機(jī)上對上述問題作并行計算，共耗時28d，這是因?yàn)椋?/p>

1）FLUENT對所有計算網(wǎng)格均求解三維Navier－Stokes方程，而本算例的網(wǎng)格數(shù)量近百萬；

2）上述問題始終存在高壓排放過程，在破口附近氣體速度接近聲速，因此要求FLUENT的時間步長約10－6～10－7s。

雖然FLUENT計算結(jié)果準(zhǔn)確地反映了物理過程，但其計算效率不被工程設(shè)計所接受，這反映了傳統(tǒng)經(jīng)典CFD在工程應(yīng)用上的不足。

2．3 應(yīng)用RELAP5計算分析

RELAP5是由美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室［8］為美國核管會（NRC）開發(fā)的輕水堆冷卻系統(tǒng)事故工況的瞬態(tài)行為最佳估算程序。RELAP5是一個高度通用的程序，可計算反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的瞬態(tài)行為，還可用于核電和常規(guī)系統(tǒng)的各種不同類型的熱工水力瞬態(tài)模擬。RELAP5包含許多通用的組件模型，包括泵、閥門、管道、熱構(gòu)件、點(diǎn)堆中子動力學(xué)、電熱器、噴射泵、汽輪機(jī)、分離器、安注箱和控制系統(tǒng)組件等。RELAP5／MOD3．5具備對氦氣、氫氣、空氣等多種不凝氣體的計算能力。下面應(yīng)用RELAP5／MOD3．5對上述冷卻劑排放事故進(jìn)行分析。系統(tǒng)控制體劃分如圖4所示，應(yīng)用RELAP5／MOD3．5對該模型計算得到如圖5所示的艙室壓力變化曲線。

圖4 系統(tǒng)的控制體劃分Fig．4 Nodalization of control volume for system

圖5 RELAP5計算結(jié)果Fig．5 Computation result of RELAP5

由圖5可看出，由于RELAP5只能進(jìn)行一維計算，無法反映大體積艙室對于冷卻劑排放事故的緩沖作用。當(dāng)艙室壓力達(dá)到0．12MPa時，爆破膜爆破，艙室迅速泄壓，艙室壓力迅速下降。RELAP5計算得到的艙室壓力峰值為0．12MPa，這與FLUENT計算得到的峰值0．13MPa有較大區(qū)別。

3 利用GASFLOW數(shù)值計算

3．1 GASFLOW簡介

GASFLOW［9］由美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室和德國Karlsruher研究所共同開發(fā)，主要目的為對氣態(tài)流場進(jìn)行CFD計算與分析。其作為一款針對反應(yīng)堆安全分析的輔助軟件，能對計算域內(nèi)流場進(jìn)行三維模擬，同時能對氫氣組分混合與分離、不可凝氣體效應(yīng)及氣溶膠運(yùn)動進(jìn)行分析，是反應(yīng)堆安全評估的有力工具。另外，GASFLOW與COM3D結(jié)合可用于氫氣混合與燃燒的相關(guān)計算。

3．2 GASFLOW加快計算速度的主要原理

現(xiàn)今流行的CFD軟件，如FLUENT、CFX、OpenFoam等，對于復(fù)雜幾何體的建模均采用貼體網(wǎng)格，對所有流動區(qū)域皆求解同一套流體控制方程（如Euler方程或Navier－Stokes方程）。在核反應(yīng)堆熱工水力分析中，往往存在多幾何尺度的流動現(xiàn)象，例如艙室體積數(shù)千或數(shù)萬m3，而管道或閥門直徑可能只有幾十mm。在這種情況下，傳統(tǒng)CFD軟件在建模時需要數(shù)量巨大的貼體網(wǎng)格來描繪流場的幾何邊界，所需計算量也隨之急劇增長。針對上文提及的冷卻劑排放事故，應(yīng)用FLUENT雖能得到合理的計算結(jié)果，但其計算效率是工程設(shè)計無法接受的。

GASFLOW作為一種工程化的CFD軟件，相比于FLUENT等CFD軟件，GASFLOW有如下特點(diǎn)［10］：1）采用非貼體網(wǎng)格，使得復(fù)雜幾何建模所需的網(wǎng)格數(shù)量極大減少；2）內(nèi)置多種常用的流動組件模型，例如一維管道、風(fēng)機(jī)、閥門、爆破膜等，方便工程建模；3）內(nèi)置等熵膨脹理論公式，極大縮短高壓噴放問題的計算時間；4）提供亞網(wǎng)格尺度的一維模型，可分析小于一個網(wǎng)格尺度的流體組件，例如管道、爆破膜等。

由于GASFLOW的上述特點(diǎn)，使其對于三維大體積艙室的臨界噴放問題有計算效率的優(yōu)勢。

3．3 斷管事故的分析結(jié)果

針對于上述冷卻劑排放問題，應(yīng)用GASFLOW進(jìn)行建模、計算和分析。圖6為GASFLOW幾何建模。系統(tǒng)網(wǎng)格數(shù)量約5萬。在2．8GHz計算機(jī)上耗時1d可計算得到圖7所示的艙室內(nèi)壓力隨時間的變化曲線。

與FLUENT計算結(jié)果圖3相比，圖7中除A點(diǎn)峰值壓力略低外，B、C、D點(diǎn)壓力峰值都與FLUENT計算結(jié)果基本一致。整個事故過程中局部壓力峰值接近0．128MPa，整體平均壓力約0．126Pa，低于艙室承壓設(shè)計0．135MPa。 GASFLOW和FLUENT計算結(jié)果均能反映出大體積艙室對于冷卻劑排放事故的緩沖作用，且GASFLOW的計算效率是工程設(shè)計可接受的。

圖6 GASFLOW幾何建模Fig．6 Geometry model of GASFLOW

圖7 GASFLOW計算結(jié)果Fig．7 Computation result of GASFLOW

4 結(jié)論

FLUENT、RELAP5和GASFLOW得出的計算結(jié)果均表明，在一回路發(fā)生直徑65mm斷管冷卻劑排放這個典型事故下，HTR－PM能實(shí)現(xiàn)成功卸壓，從而保證一回路艙室的完整性。

由于實(shí)際的高壓噴放過程不是等熵過程，因此應(yīng)用FLUENT計算得出的結(jié)果最符合實(shí)際的物理過程，但其計算效率無法為工程設(shè)計所接受，而采用了氣體等熵流動模型的GASFLOW得到的艙室最大局部峰值壓力略低，但二者的整體平均壓力非常接近，且GASFLOW往往能在幾天內(nèi)得到計算結(jié)果，這是工程設(shè)計可接受的。FLUENT和GASFLOW的計算結(jié)果均能反映出大體積艙室對于冷卻劑排放事故的緩沖作用，而RELAP5由于只能進(jìn)行一維建模和計算，無法反映出事故過程中艙室壓力分布的不均勻性，因此其計算結(jié)果對于艙室承壓設(shè)計最不保守。

綜合上述分析可知，應(yīng)用GASFLOW計算分析HTR－PM冷卻劑排放事故兼顧了計算結(jié)果合理性和計算效率等因素，是工程設(shè)計的合理選擇。

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Application of GASFLOW into Analysis of Loss of Coolant Accident for HTR－PM

YU Fu－jiang，SUN Xi－ming＊
（Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety，Ministry of Education，Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China）

The validity of the reactor cabinet pressure loading capacity of HTR－PM following a loss－of－coolant accident（LOCA）stands as the main object for reactor safety analysis．By comparing the computation results of FLUENT，GASFLOW and RELAP5，it is found that GASFLOW acts as the most suitable software for analyzing pressure loading capacity under LOCA with coolant discharging into reactor cabinet，because of its special features which balance between computation efficiency and reliability．

HTR－PM；GASFLOW；LOCA

TL334

：A

：1000－6931（2015）03－0424－05

10．7538／yzk．2015．49．03．0424

2013－12－09；

2014－02－17

高溫氣冷堆重大專項資助項目（zx06901）

于福江（1989—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，核科學(xué)與工程專業(yè)

＊通信作者：孫喜明，E－mail：xmsun＠tsinghua．edu．cn