基于ECC安注熱混合試驗(yàn)的LOCUST 1.2分析與驗(yàn)證

丁 雯，張大林,*，張 魁，陳榮華，謝曉風(fēng)，琚忠云，徐財(cái)紅，王 婷，田文喜，秋穗正

(1.西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

反應(yīng)堆的安全性是限制核反應(yīng)堆發(fā)展的主要因素之一[1-2]。壓水堆的安全注射系統(tǒng)(簡稱安注系統(tǒng))能迅速為堆芯提供應(yīng)急冷卻和持續(xù)冷卻，以保證在失水事故(LOCA)下能迅速導(dǎo)出燃料余熱、排除燃料熔化等各種危險(xiǎn)。安注系統(tǒng)的安注管線通過T型聯(lián)接段與主回路冷腿相連，安注系統(tǒng)投入運(yùn)行后T型管處會(huì)發(fā)生流體熱力學(xué)混合(簡稱熱混合)，熱混合過程中冷腿段的冷卻是直接影響堆芯再淹沒與否的重要因素[3]。因此，研究堆芯應(yīng)急事故工況下安注接管處熱混合現(xiàn)象對于反應(yīng)堆堆芯安全具有非常重要的意義。

20世紀(jì)七八十年代開始已有學(xué)者開展針對兩相熱混合及T型管的試驗(yàn)研究，Enayet等[4]針對法國鳳凰快堆(FBR PHENIX)進(jìn)行了T型彎頭管內(nèi)的單相流體試驗(yàn)研究；Kim等[5]架設(shè)了矩形管內(nèi)分層流動(dòng)相間換熱試驗(yàn)研究臺架，對兩相流流動(dòng)傳熱進(jìn)行了研究；Segev等[6]改良了Kim的試驗(yàn)，研究了矩形管內(nèi)蒸汽與過冷水之間的相間傳熱；Mayinger等[7]在上腔室測試試驗(yàn)臺架(UPTF)得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分析了幾何結(jié)構(gòu)對安注熱混合特性的影響，但主要研究的是安注管與腔室之間的熱混合；Kawamura等[8]及Metzner等[9]也針對T型管的冷熱水熱混合現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但支管的傾斜角度為90°?？紤]到壓水堆中安注管線與反應(yīng)堆冷管段接口處的傾角一般為45°，西安交通大學(xué)基于ECCS-XJTU試驗(yàn)臺架進(jìn)行了傾角為45°的T型圓管兩相安注熱混合試驗(yàn)，為后續(xù)建立相關(guān)分析模型和程序驗(yàn)證提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，考慮到建造與原型反應(yīng)堆相同的試驗(yàn)臺架的經(jīng)濟(jì)性、工程實(shí)施性等方面的限制以及數(shù)值模擬的高效性及參考價(jià)值，研究人員于21世紀(jì)開始對兩相流熱混合進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果對試驗(yàn)設(shè)計(jì)及壓水堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。Wang等[10]和Feng等[11]使用商用CFD軟件對熱混合現(xiàn)象進(jìn)行了模擬；Ren等[12]和Song等[13]采用RELAP5系統(tǒng)分析軟件對T型管的安注熱混合進(jìn)行了模擬。目前國內(nèi)使用的兩相流熱工水力系統(tǒng)分析軟件主要為國外引進(jìn)，如RELAP5、CATHARE、ATHLET等[14-17]。為提升核電研發(fā)設(shè)計(jì)的核心競爭力，中國廣核集團(tuán)有限公司自主研發(fā)了一款兩相流熱工水力系統(tǒng)分析軟件LOCUST，當(dāng)前版本為1.2版，可用于壓水堆核電廠熱工水力系統(tǒng)分析及事故工況的安全分析計(jì)算，如“華龍一號”壓水反應(yīng)堆的熱工水力系統(tǒng)分析。本工作擬基于ECCS-XJTU臺架開展的兩相安注熱混合試驗(yàn)開展LOCUST軟件模擬計(jì)算，并與熱混合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以評估軟件在兩相流熱混合方面的計(jì)算能力。

1 ECC熱混合試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)回路

本試驗(yàn)是基于西安交通大學(xué)核反應(yīng)堆熱工水力試驗(yàn)回路，針對二代及二代加壓水堆在LOCA工況下ECC安注系統(tǒng)投入使用時(shí)進(jìn)行的試驗(yàn)研究[3,18]。ECC安注熱混合試驗(yàn)臺架將試驗(yàn)回路劃分為水回路及其冷卻回路、蒸汽回路、泵室以及試驗(yàn)測量區(qū)，其中水回路用于安注給水及混合后液態(tài)水的流動(dòng)，熱混合試驗(yàn)段位于試驗(yàn)測量區(qū)。試驗(yàn)段主管和支管均采用316L不銹鋼，使用φ76 mm×3 mm圓管作為兩相熱混合T型試驗(yàn)段主管、φ25 mm×2 mm圓管作為安注管，圓管內(nèi)徑與原型反應(yīng)堆中實(shí)際內(nèi)徑比為1∶10.12。

T型試驗(yàn)段區(qū)域幾何參數(shù)設(shè)計(jì)如圖1所示，其中安注支管傾角為45°。測溫截面熱電偶布置包含2種形式：2點(diǎn)式和6點(diǎn)式(用于研究三維效應(yīng))，如圖2所示。熱電偶布置及截面位置分布如表1所列，其中D為主管內(nèi)徑，為70 mm。試驗(yàn)的進(jìn)出口流量采用電子流量計(jì)測量，流量計(jì)與管頭直接連接，流量直接通過電子LED屏幕顯示。

1——壓力表插孔；2——布置有2個(gè)熱電偶的測溫截面；3，3′——2對壓差變送器插孔；4——熱混合試驗(yàn)段主管；5——熱混合試驗(yàn)段支管；6——布置有6個(gè)熱電偶的測溫截面圖1 T型試驗(yàn)段設(shè)計(jì)圖及測溫截面分布Fig.1 Design of T-shaped test section and thermocouple layout

圖2 2點(diǎn)式及6點(diǎn)式測溫截面Fig.2 Section with two and six temperature measuring points

表1 熱電偶布置及截面位置分布Table 1 Layout of thermocouple and position of section

1.2 試驗(yàn)方法及初始條件

純蒸汽工況下的安注熱混合現(xiàn)象是LOCA下最可能產(chǎn)生的重要工況。本試驗(yàn)采用常規(guī)T型管內(nèi)熱混合試驗(yàn)方法，即水平主管內(nèi)的高溫蒸汽與安注支管內(nèi)過冷水進(jìn)行熱混合，并針對不同試驗(yàn)工況合理調(diào)整主、支管流量，盡可能獲得不同蒸汽流量/安注水流量比下的熱混合特性。試驗(yàn)過程中使用控制系統(tǒng)對安注區(qū)域溫度、壓力、流量等重要參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為120次/min。各參數(shù)保持穩(wěn)定達(dá)2 min后記錄其穩(wěn)態(tài)值作為該工況下的試驗(yàn)值。試驗(yàn)中蒸汽流量測量的不確定度為2.4 m3/h，過冷水流量測量的不確定度為3.9 kg/h，熱電偶測溫的不確定度為0.3 ℃。

主管道通入的飽和蒸汽質(zhì)量流量為25～125 kg/h，安注管通入的25 ℃左右的過冷水質(zhì)量流量為100～500 kg/h，試驗(yàn)系統(tǒng)壓力為常壓0.1 MPa。根據(jù)初始蒸汽流量及安注過冷水流量的不同，共進(jìn)行了55組ECC安注熱混合試驗(yàn)，試驗(yàn)初始條件如表2所列，其中p為系統(tǒng)壓力，W安注水及W蒸汽為安注水入口質(zhì)量流量及主管道蒸汽質(zhì)量流量，T安注水及T蒸汽為安注水入口溫度及蒸汽入口溫度。

表2 ECC試驗(yàn)初始條件和參數(shù)Table 2 Initial condition and parameter of ECC test

2 軟件建模

兩相流熱工水力系統(tǒng)分析軟件LOCUST的守恒方程為兩流體六方程模型，可用于壓水堆核電廠失水事故等事故工況的分析計(jì)算。LOCUST 1.2采用自由節(jié)點(diǎn)建模方式，ECC熱混合安注試驗(yàn)段與外部無熱量交換，主要為水力學(xué)模塊的建模?；趫D1所示試驗(yàn)段建立的LOCUST計(jì)算節(jié)點(diǎn)劃分如圖3所示。時(shí)變控制體tdv200及tdv203給定壓力邊界及流體初始溫度，蒸汽及安注水的初始流量通過時(shí)變接管tdj201及tdj204給定，兩者的混合特性使用分支部件branch206計(jì)算，混合后區(qū)域的混合特性計(jì)算及參數(shù)監(jiān)控使用管部件pipe207完成。分支部件branch206與單控制體svol205的接管設(shè)置的向下傾斜角度為45°，其余各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)及熱力學(xué)參數(shù)參考試驗(yàn)段尺寸及試驗(yàn)初始條件。為使試驗(yàn)段測溫截面與LOCUST控制體的計(jì)算位置相對應(yīng)，并綜合考慮管部件的節(jié)點(diǎn)敏感性和節(jié)點(diǎn)無關(guān)性，確定branch206部件后管部件pipe207的子控制體為15個(gè)，每個(gè)子控制體的水平長度為50.0 mm。

圖3 ECC熱混合試驗(yàn)段的LOCUST節(jié)點(diǎn)劃分Fig.3 Nodalization in LOCUST for ECC test section

3 結(jié)果及對比分析

3.1 混合后溫度特性分析

由于各測點(diǎn)的位置不同，測點(diǎn)實(shí)測溫度無法與混合后液態(tài)流體的溫度進(jìn)行直接比較，因此本小節(jié)對截面上各測點(diǎn)的實(shí)測溫度與液態(tài)流體溫度計(jì)算值的關(guān)系進(jìn)行了比較，并對試驗(yàn)中各測點(diǎn)的實(shí)測溫度特性進(jìn)行了分析。整理了混合后各截面各測點(diǎn)實(shí)測溫度(截面6和7各有6個(gè)測點(diǎn)，截面8、9、10各有2個(gè)測點(diǎn))及混合后各位置處的液態(tài)流體溫度計(jì)算值，選取工況5、工況10及工況15的計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖4所示。

由圖4可看出，實(shí)測溫度在垂直方向存在溫度分層，位置較高的測點(diǎn)實(shí)測溫度接近飽和蒸汽溫度373.15 K，位置較低的測點(diǎn)(6測點(diǎn)截面的為測點(diǎn)Ⅳ，2測點(diǎn)截面的為測點(diǎn)Ⅱ)實(shí)測溫度遠(yuǎn)小于飽和蒸汽溫度，其溫度可視作所測混合后液態(tài)流體溫度。

在距安注中心線最近的測溫截面(截面6，距安注中心0.157 5 m)，測點(diǎn)Ⅳ的實(shí)測溫度遠(yuǎn)大于測溫截面7(距安注中心0.21 m)測點(diǎn)Ⅳ的實(shí)測溫度，這是由于截面6處安注管安注的過冷水與主管蒸汽的混合不充分，測點(diǎn)Ⅳ的實(shí)測溫度波動(dòng)較大且更接近于蒸汽溫度。截面7～10(距安注中心0.21、0.315、0.525、0.945 m)底部測點(diǎn)的實(shí)測溫度明顯小于截面6，且溫度波動(dòng)不大，沿流動(dòng)方向呈逐漸升高的趨勢?；旌虾罅黧w溫度的計(jì)算值也隨流動(dòng)方向而增大，這是由于其流動(dòng)過程伴隨著流體與飽和蒸汽的相間冷凝，導(dǎo)致流體溫度升高且液態(tài)流體流量也增大。

圖4 各測點(diǎn)實(shí)測溫度及流體溫度計(jì)算值Fig.4 Measured and calculated temperatures

3.2 對比分析

工況1～55的液相出口處質(zhì)量流量的實(shí)測值及LOCUST計(jì)算值如圖5所示。由圖5可見，在多數(shù)工況下LOCUST的計(jì)算結(jié)果相對保守，即液相出口質(zhì)量流量的計(jì)算值略低于實(shí)測值。導(dǎo)致該結(jié)果的原因可能是試驗(yàn)過程存在一定的熱量損失，使得試驗(yàn)中蒸汽的冷凝量相對較多，導(dǎo)致液相出口質(zhì)量流量更高。且在低流量過冷水工況(如工況1、6、11、16、21等)下液相出口質(zhì)量流量的計(jì)算值與實(shí)測值的差距較小，反之高流量過冷水工況(如工況4、9、19、27等)下該參數(shù)計(jì)算值與實(shí)測值的差距較大，因此在此類工況下，冷凝模型計(jì)算的相間冷凝量過低。

圖5 工況1～55的液相出口處質(zhì)量流量試驗(yàn)值與計(jì)算值的對比Fig.5 Comparision of measured and calculated mass flows of liquid at outlet from case 1 to 55

液相出口處質(zhì)量流量試驗(yàn)值與計(jì)算值的相對誤差如圖6所示。由圖6可見，液相出口處質(zhì)量流量的試驗(yàn)值和計(jì)算值相差不大，最大相對誤差為13.8%，大部分工況的相對誤差在10%以內(nèi)。

選取截面9(距安注中心0.525 m)位置處混合后的流體溫度進(jìn)行對比，驗(yàn)證LOCUST軟件在兩相流傳熱計(jì)算中的準(zhǔn)確性。根據(jù)前文分析，截面9測點(diǎn)Ⅱ的實(shí)測溫度可視為混合后的流體溫度，下文所述的混合后流體溫度實(shí)測值均為該測點(diǎn)的實(shí)測溫度。工況1～55的混合后流體溫度試驗(yàn)值及LOCUST計(jì)算值的對比如圖7所示?；旌虾罅黧w溫度試驗(yàn)值及計(jì)算值的誤差示于圖8。由圖8可見，混合后流體溫度的實(shí)測值和計(jì)算值相差不大，最大相對誤差小于8.0%。但所有工況的溫度計(jì)算值普遍小于實(shí)測值(圖7)，試驗(yàn)中的溫度不確定度約為0.3 ℃，這說明LOCUST在計(jì)算高溫蒸汽和過冷水混合時(shí)低估了兩相間的換熱量，從而低估了高溫蒸汽的冷凝量。

圖6 液相出口處質(zhì)量流量試驗(yàn)值及計(jì)算值的對比Fig.6 Comparison between measured and calculated mass flows of liquid at outlet

圖7 工況1～55的混合后流體溫度的試驗(yàn)值與計(jì)算值Fig.7 Measured and calculated fluid temperatures from case 1 to 55

圖8 混合后流體溫度試驗(yàn)值及計(jì)算值的對比Fig.8 Comparison between measured and calculated fluid temperatures

4 結(jié)論

本文簡要介紹了ECC安注熱混合試驗(yàn)，并使用LOCUST軟件對ECC安注熱混合試驗(yàn)進(jìn)行了建模及計(jì)算，對比分析了液相出口處質(zhì)量流量及混合后各截面測點(diǎn)溫度的實(shí)測值與計(jì)算值，初步驗(yàn)證了LOCUST軟件在ECC安注熱混合試驗(yàn)分析中的準(zhǔn)確性。通過以上研究可得到如下結(jié)論。

1) 混合后區(qū)域流體在垂直方向存在溫度分層現(xiàn)象，且后半段流體溫度沿流動(dòng)方向呈緩慢上升趨勢。

2) LOCUST計(jì)算得到的液相出口質(zhì)量流量與實(shí)測值的相對誤差在13.8%內(nèi)；混合后溫度的變化趨勢與試驗(yàn)結(jié)果一致，混合后流體溫度計(jì)算值與實(shí)測值的相對誤差在8%內(nèi)，但溫度計(jì)算結(jié)果相對保守，其傳熱模型計(jì)算時(shí)低估了相間換熱量。