于 浩 張 明 馮少東 郝國(guó)鋒 翁 羽

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

CAP1000一體化堆頂組件風(fēng)冷系統(tǒng)流場(chǎng)分析

于 浩 張 明 馮少東 郝國(guó)鋒 翁 羽

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

為驗(yàn)證反應(yīng)堆一體化堆頂組件的設(shè)計(jì)能否滿足功能要求，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)CAP1000改進(jìn)設(shè)計(jì)的一體化堆頂組件冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)分析，獲得了冷卻系統(tǒng)的流場(chǎng)分布，從而為不同工況下的風(fēng)機(jī)選型要求和一體化堆頂組件冷卻系統(tǒng)功能提供了技術(shù)支持。

CAP1000，一體化堆頂組件，流場(chǎng)分析，計(jì)算流體力學(xué)

反應(yīng)堆一體化堆頂組件(Integrated head package，IHP) 是三代非能動(dòng)核電技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)之一，其與反應(yīng)堆壓力容器堆頂集成調(diào)裝的功能大大簡(jiǎn)化了反應(yīng)堆換料的工序，節(jié)省了換料所用的時(shí)間，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)上的先進(jìn)性[1]。為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(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(shè)計(jì)中保留了IHP的冷卻系統(tǒng)。這一系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上與我國(guó)傳統(tǒng)核電廠采用的CRDM冷卻方式變動(dòng)較大，相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)比較缺乏。

本文以CAP1000反應(yīng)堆的IHP冷卻系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，針對(duì)該系統(tǒng)完成對(duì)CRDM冷卻功能的過(guò)程，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational fluid dynamics CFD)的方法，建立有限元分析模型，研究IHP的冷卻流場(chǎng)的分析方法，考察風(fēng)機(jī)設(shè)置和布局的合理性，驗(yàn)證風(fēng)機(jī)性能，計(jì)算出IHP流場(chǎng)分布情況，為探索CAP1000反應(yīng)堆的CRDM冷卻方法，改進(jìn)IHP的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

一體化堆頂組件的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、風(fēng)管、風(fēng)管配件、風(fēng)管支承、通風(fēng)圍板、圍筒、儀表及電氣部件等組成，以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范書中對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磁軛線圈部件的冷卻要求。一體化堆頂組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)冷卻空氣通過(guò)圍筒上的風(fēng)門進(jìn)入圍筒。通風(fēng)圍板安裝于風(fēng)門上方的圍筒內(nèi)側(cè)，在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)周圍形成間隙一致的通道，以提供均勻的冷卻空氣。風(fēng)管為冷卻空氣提供了從通風(fēng)圍板上方流出圍筒的通道，并將空氣引入風(fēng)機(jī)。冷卻空氣在IHP中的流動(dòng)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(fēng)的流動(dòng)路徑圖Fig.2 IHP flow path configuration.

2 計(jì)算方法

IHP流場(chǎng)冷卻計(jì)算是以CFD的方法完成流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的計(jì)算分析工作。計(jì)算部分用ANSYS CFX 12.0程序進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)計(jì)算的模型首先以Autodesk Inventor軟件構(gòu)建，通過(guò)ANSYS Workbench軟件導(dǎo)入分析模塊，在ANSYS Workbench中完成計(jì)算域的組合后用ANSYS ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后經(jīng)CFX-Pre進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，通過(guò)CFX-Solver Manager進(jìn)行計(jì)算，再通過(guò)CFD-Post評(píng)估計(jì)算，取出計(jì)算結(jié)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(chǎng)。

2.1模型簡(jiǎn)化

為了有效控制計(jì)算的精度，IHP流場(chǎng)模型需要進(jìn)行適度的簡(jiǎn)化。由于CRDM組件的尺寸復(fù)雜，與IHP整體相比，其結(jié)構(gòu)尺寸較小，在整體網(wǎng)格處理中會(huì)遇到很大困難。為了減少計(jì)算量，將整個(gè)模型拆分成單個(gè)CRDM換熱模型和IHP整體流場(chǎng)模型二部分分別建模，在整體模型中，將每一個(gè)CRDM組件簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)，如風(fēng)門、CRDM通風(fēng)圍板、IHP圍筒、DRPI板、風(fēng)管等結(jié)構(gòu)，對(duì)于CRDM的磁軛線圈的區(qū)域采用簡(jiǎn)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(fēng)機(jī)的區(qū)域保留其內(nèi)部形狀，但不模擬風(fēng)機(jī)葉片，而在出口區(qū)域加載風(fēng)機(jī)載荷。在冷風(fēng)入口處模擬自由空氣構(gòu)建入口模塊，采用Inventor完成的IHP風(fēng)冷CAD模型如圖3所示，左邊是整體模型，右邊是單個(gè)CRDM的模型。在分析計(jì)算過(guò)程中采用以下假定條件：

圖3 IHP風(fēng)冷模型示意圖Fig.3 IHP flow model configuration.

1) 為了保證計(jì)算的實(shí)施，對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化了模型的接口、圍筒內(nèi)布置的電纜、CRDM抗震結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)內(nèi)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(dòng)對(duì)分析影響可以忽略；

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

2.2網(wǎng)格處理

通過(guò)Inventor軟件中的ANSYS插件，將完成的整體IHP幾何模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格處理。處理的過(guò)程中，先采用Geometry模塊將CAD模型中不同的模塊組合成同一個(gè)計(jì)算域，后采用Workbench下集成的ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格處理，由于模型比較復(fù)雜，用四面體網(wǎng)格進(jìn)行處理。不同疏密的網(wǎng)格對(duì)于計(jì)算的結(jié)果有一定的影響，為了做到與網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，需要對(duì)不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算測(cè)試，經(jīng)測(cè)試，選用的計(jì)算模型網(wǎng)格單元數(shù)為320萬(wàn)個(gè)[3,4]。單個(gè)CRDM的模型主要是為了獲取換熱系數(shù)，為更加精確的計(jì)算，采用的尺寸更小，網(wǎng)格數(shù)為520萬(wàn)。

2.3邊界設(shè)置

IHP工作的環(huán)境為安全殼內(nèi)，流體介質(zhì)為常溫下的空氣，由于流體速度較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生湍流。計(jì)算選用的流體介質(zhì)為可壓縮的理想氣體模型，參考?jí)毫橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置之外，對(duì)CRDM子域的能量邊界進(jìn)行設(shè)置，在各向同性的能量損失選項(xiàng)中選取“線性和二次項(xiàng)系數(shù)”時(shí)需要計(jì)算二次項(xiàng)系數(shù)的阻尼系數(shù)。阻尼系數(shù)的計(jì)算輸入來(lái)自設(shè)計(jì)規(guī)范書中要求的CRDM線圈間的平均設(shè)計(jì)流量為15 m·s?1，根據(jù)單個(gè)模型的計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)中預(yù)置了4個(gè)風(fēng)機(jī)，但規(guī)范書要求在正常工況下，只有2個(gè)風(fēng)機(jī)工作，風(fēng)機(jī)的位置如圖4所示，由于位置并不完全對(duì)稱，因此，需要驗(yàn)證不同位置的風(fēng)機(jī)組合是否能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。在計(jì)算過(guò)程中，將風(fēng)機(jī)A設(shè)置為速度出口，風(fēng)機(jī)B、C、D依次設(shè)置為速度出口，不在運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)機(jī)設(shè)置為壁面邊界條件，以模擬兩個(gè)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的工況。

CRDM產(chǎn)生的熱載荷根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范書中規(guī)定，假設(shè)每個(gè)CRDM組件產(chǎn)生的熱載荷為12 kW，總的為69個(gè)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(fēng)機(jī)位置示意圖Fig.4 IHP fan position configuration.

3 分析結(jié)果

單個(gè)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(yàn)證風(fēng)機(jī)的運(yùn)行組合是否能夠滿足設(shè)計(jì)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(shè)定單根CRDM計(jì)算模型的入口邊界條件為風(fēng)機(jī)運(yùn)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(jì)算的入口流從下方垂直掠過(guò)CRDM，水平阻力計(jì)算的入口流從水平方向橫掠過(guò)CRDM磁軛線圈區(qū)。計(jì)算得到的CRDM磁軛線圈的壓降和阻力系數(shù)如表1所示。計(jì)算得到的垂直方向流場(chǎng)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(shè)計(jì)，當(dāng)流體沿垂直方向流過(guò)其外部時(shí)，相當(dāng)于流過(guò)多級(jí)突擴(kuò)、突縮管，則在此過(guò)程中將產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)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(jì)算了AB、AC和AD 3種組合下的工況，計(jì)算結(jié)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(gè)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(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)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(fēng)機(jī)A和B運(yùn)行時(shí)2個(gè)運(yùn)行風(fēng)機(jī)的速度剖面對(duì)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(gè)運(yùn)行風(fēng)機(jī)的速度剖面對(duì)比分布云圖(AB)Fig.10 FanA and FanB velocity contour distribution(AB).

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CAP1000反應(yīng)堆的一體化堆頂組件冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用CFD的方法，將系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，證明了所選風(fēng)機(jī)的合理性和IHP設(shè)計(jì)的科學(xué)性。數(shù)值模擬的結(jié)果表明：CAP1000一體化堆頂冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能有效的為CRDM磁軛線圈提供冷卻，通過(guò)對(duì)其流場(chǎng)的考察，證明不同風(fēng)機(jī)組合下能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shù)AP1000[M]. 北京: 中國(guó)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(shè)計(jì)規(guī)范書[S]. 上海: 上海核工程研究設(shè)計(jì)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(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M]. 北京: 中國(guó)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(jì)寧. ANSYS CFX 對(duì)流傳熱數(shù)值模擬基礎(chǔ)應(yīng)用教程[M]. 北京: 國(guó)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(xué)工程力學(xué)系獲碩士學(xué)位，研究方向：反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

2012-10-31，

2012-12-07

CLC TL45, TB65