反應(yīng)堆頂蓋腔室流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

危 華，謝 翀，肖衛(wèi)明，汪春宇

（中廣核研究院有限公司 廣東省核電安全企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518116）

反應(yīng)堆冷卻劑在壓力容器內(nèi)流動(dòng)，主流在經(jīng)過堆芯后進(jìn)入上腔室，上封頭旁流[1]則通過堆芯吊籃上的噴嘴流水孔進(jìn)入頂蓋腔室（又稱上封頭腔室），對(duì)頂蓋腔室及其內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行冷卻，之后流入上腔室，與堆芯出口的冷卻主流匯合后流出反應(yīng)堆壓力容器。頂蓋腔室內(nèi)的水力參數(shù)測(cè)量是上封頭結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和流致振動(dòng)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，而水力學(xué)參數(shù)又取決于流場(chǎng)，因此，研究頂蓋腔室內(nèi)的流場(chǎng)對(duì)反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外許多研究單位利用CFD 研究反應(yīng)堆內(nèi)的流場(chǎng)[2-5]，也有研究單位對(duì)反應(yīng)堆開展了實(shí)驗(yàn)研究，但多是利用縮比的模型進(jìn)行[6-7]，或者研究的是反應(yīng)堆的其他部位[8]。本研究在基于1∶1 原型的實(shí)驗(yàn)本體上開展實(shí)驗(yàn)，利用粒子圖像測(cè)速法（Particle Image Velocimetry，PIV）分別拍攝測(cè)量頂蓋腔室不同位置的流場(chǎng)，并將測(cè)量結(jié)果整合到一起，獲得了頂蓋腔室內(nèi)的全流場(chǎng)細(xì)節(jié)，為上封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全分析提供了數(shù)據(jù)輸入。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)回路

本實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖如圖1 所示。該裝置中包括補(bǔ)水系統(tǒng)、主回路系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路圖

實(shí)驗(yàn)裝置中主泵出來的去離子水，分別流向泵旁路、實(shí)驗(yàn)支路、穩(wěn)壓器支路及換熱器支路，實(shí)驗(yàn)支路的去離子水經(jīng)流量計(jì)和實(shí)驗(yàn)本體后，與穩(wěn)壓器、換熱器的支路流體混合并回到主泵，形成閉合的流動(dòng)循環(huán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)本體

本研究在1∶1 原型的基礎(chǔ)上，選取了一個(gè)噴嘴附近的500 mm 周向范圍和1/2 腔室的徑向范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)本體的設(shè)計(jì)，如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)本體主體尺寸約為2.2 m×2.1 m×0.52 m，主要由噴嘴流水孔入口段、頂蓋腔室模擬體和出口段組成，在本體的拍攝面（對(duì)應(yīng)頂蓋腔室豎直切面上）上有13 個(gè)可視窗口。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)本體豎直放置，去離子水從下往上從噴嘴入口段流入，經(jīng)頂蓋腔室模擬體后，由出口段流出。

圖2 實(shí)驗(yàn)本體和可視窗口位號(hào)

拍攝面和激光入射面部分采用有機(jī)玻璃制作，以方便PIV 設(shè)備拍攝測(cè)量本體內(nèi)部流場(chǎng)。PIV 系統(tǒng)測(cè)量流場(chǎng)時(shí)，片光源經(jīng)過激光入射面照亮拍攝面中的選定區(qū)域，CCD 相機(jī)布置在垂直紙面正對(duì)選定面的前方，PIV 系統(tǒng)就可以拍攝選定區(qū)域示蹤粒子的瞬時(shí)畫面并通過兩幀畫面的差異計(jì)算該區(qū)域的速度場(chǎng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為達(dá)到指定工況，本實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)的回路參數(shù)主要有實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)介質(zhì)的流量、溫度和壓力。介質(zhì)的流量，可以通過調(diào)節(jié)主泵出口實(shí)驗(yàn)支路電動(dòng)閥和主泵旁路電動(dòng)閥的開度以及主泵的頻率來調(diào)節(jié)；介質(zhì)的溫度，可以利用實(shí)驗(yàn)回路中穩(wěn)壓器內(nèi)的電加熱棒、主泵頻率及換熱器三者配合調(diào)節(jié)；介質(zhì)的壓力主要通過穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)中流量、溫度和壓力的測(cè)量分別通過渦輪流量計(jì)、溫度熱電偶和壓力變送器來測(cè)量，實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

流場(chǎng)的測(cè)量主要使用PIV 系統(tǒng)，利用PIV 系統(tǒng)測(cè)試流場(chǎng)時(shí)，在回路中加入反光性良好且比重與流體相當(dāng)?shù)目招牟Ａ⒅樽鳛槭聚櫫Ｗ?，使用激光片光源?duì)被拍攝區(qū)域進(jìn)行照明，之后使用CCD 相機(jī)獲取示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像，對(duì)示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行分析和處理，最終獲得所研究的二維流場(chǎng)的速度分布情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 整體流場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)本體一共有13 個(gè)可視窗口，圖2 根據(jù)行和列的不同對(duì)可視窗口進(jìn)行了編號(hào)，并記錄了每個(gè)可視窗口的坐標(biāo)范圍。

圖3 是在流量59.6 m3/h 條件下經(jīng)過拼接合成的總體速度場(chǎng)圖（其他流量工況下的流場(chǎng)情況基本類似），該流量工況下以噴嘴喉部為參考截面的雷諾數(shù)約為75 萬。噴嘴流水孔和周圍壁面可以看成一個(gè)半封閉沖擊射流區(qū)域[9]，從噴嘴出來的水幾乎是貼著腔室左側(cè)壁面的，這使噴嘴上方自由射流區(qū)的流場(chǎng)變得更加紊亂，加上其速度梯度較大，使得“11”窗口已無法準(zhǔn)確拍攝測(cè)量得到該區(qū)域的流場(chǎng)，因此本文給出的流場(chǎng)圖不包含該噴嘴出口正上方的數(shù)據(jù)，不過圖4 仍可以明顯看到自由射流區(qū)對(duì)周圍的介質(zhì)以及相應(yīng)的動(dòng)量、能量的裹攜效果[10]。水介質(zhì)從噴嘴出來進(jìn)入頂蓋腔室模擬體后，沿著頂蓋腔室模擬體內(nèi)壁面流動(dòng)，一直到可視窗口“44”位置的后半段才發(fā)生明顯脫壁現(xiàn)象，這為上封頭旁流對(duì)頂蓋腔室的冷卻創(chuàng)造了較好的條件。沿著壁面方向越到下游或者垂直壁面方向離壁面越遠(yuǎn)，流速越小。腔室模擬體在位置“23”位置形成了一個(gè)較大的渦，頂蓋腔室原型因?yàn)楹袃?nèi)構(gòu)件，其內(nèi)部渦的位置可能和本文有所區(qū)別。由圖5 到圖6 可知，“14”和“44”位置也各形成了一個(gè)較小的渦，這2 處渦的形成和腔室模擬體右側(cè)壁面有關(guān)，而頂蓋腔室原型右側(cè)壁面實(shí)際為對(duì)稱中心面，情況將更為復(fù)雜。

圖3 流量59.6 m3/h 條件下的整體速度場(chǎng)及近壁面速度選取區(qū)域

圖4 位置“11”處的速度場(chǎng)

圖5 位置“14”處的速度場(chǎng)

圖6 位置“44”處的速度場(chǎng)

2.2 近壁面流速分布

圖7 是腔室近壁面的流速分布圖，可視窗口的位號(hào)在該圖橫坐標(biāo)上方，近壁面的選取區(qū)域是圖2的白線所經(jīng)過的位置?？梢园l(fā)現(xiàn)，越到下游，整體流速越小，這和前面整體速度場(chǎng)圖得到的結(jié)論一致；“21”和“311”因?yàn)榘俨糠譀_擊區(qū)和大部分壁面射流區(qū)，導(dǎo)致這2 個(gè)區(qū)域的速度波動(dòng)和梯度較大，其中“21”窗口在流量59.6 m3/h 以上的數(shù)據(jù)已無法準(zhǔn)確測(cè)得，“44”區(qū)域的速度梯度大是受右側(cè)壁面的影響；比較這5 條曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在“311”區(qū)域，噴嘴入口流量越大，腔室總體速度越大，其他區(qū)域速度和流量的關(guān)系并不明顯。

圖7 腔室內(nèi)壁面附近的流速分布

2.3 流量對(duì)總體流速的影響

入口流量從53.0 m3/h 變化到72.9 m3/h 時(shí)，整體腔室內(nèi)的流場(chǎng)特征基本一致，只是腔室內(nèi)的總體流速發(fā)生了變化，本文選取每個(gè)流量工況下整個(gè)流場(chǎng)速度的中位數(shù)來代表該流場(chǎng)速度的總體水平，得到整體流速和入口流量的關(guān)系曲線如圖8 所示，由圖8 可知，總體流速和入口流量的關(guān)系接近一條直線，入口流量越大，整體流速越大。

圖8 總體流速和噴嘴流量的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

通過在1∶1 頂蓋腔室實(shí)驗(yàn)本體上開展水力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究得到以下結(jié)論。

1）水介質(zhì)從噴嘴出來進(jìn)入頂蓋腔室模擬體后，沿著頂蓋腔室模擬體內(nèi)壁面流動(dòng)，一直到靠近頂蓋腔室中心線位置才發(fā)生明顯脫壁現(xiàn)象，這為上封頭旁流的對(duì)頂蓋腔室的冷卻創(chuàng)造了較好的條件。

2）腔室模擬體內(nèi)瞬時(shí)流場(chǎng)一直在變化，在模擬體中心、模擬體右上方和模擬體右下方分別形成了“一大兩小”的3 個(gè)渦，而頂蓋腔室原型因?yàn)楹袃?nèi)構(gòu)件，且右側(cè)壁面位置實(shí)際為對(duì)稱中心面，情況將更為復(fù)雜。

3）腔室內(nèi)的流體速度的分布并不均勻，總體而言，沿著壁面的主流速方向越到下游，或者垂直壁面的主流速方向離壁面越遠(yuǎn)，流速越小。

4）流量變化時(shí)，整體腔室內(nèi)的流場(chǎng)特征基本一致，只是腔室內(nèi)的總體流速的大小發(fā)生了變化?？傮w流速和入口流量的關(guān)系接近一條直線，隨著入口流量的增大，腔室模擬體內(nèi)水介質(zhì)的整體流速越大。