吳燕華 曹 寅 曲世祥 何兆忠 陳 堃

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

工質(zhì)替代FLiBe研究渦流二極管單向特性的?；治?/p>

吳燕華 曹 寅 曲世祥 何兆忠 陳 堃

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

渦流二極管作為氟鹽冷卻高溫堆(Fluoride-salt-cooled High-temperature Reactor, FHR)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其單向性將影響FHR事故工況下排出堆芯余熱的能力和正常工況時(shí)堆芯的熱損失。為了研究在冷卻劑FLiBe熔鹽工質(zhì)下渦流二極管的單向特性，并解決FLiBe較強(qiáng)腐蝕性、高熔點(diǎn)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)難度較大及成本較高的問題，本文采用比較安全和便于實(shí)驗(yàn)的水、#22透平油和HTS-1作為FLiBe的替代工質(zhì)，通過(guò)相似理論進(jìn)行流體?；⒉捎脭?shù)值模擬方法研究?；椒ǖ目尚行浴＝Y(jié)果表明：采用HTS-1、水和#22透平油工質(zhì)代替FLiBe研究相同結(jié)構(gòu)尺寸渦流二極管內(nèi)的單向特性是可行的。HTS-1?；疐LiBe在渦流二極管內(nèi)流動(dòng)可實(shí)現(xiàn)完全相似，水和#22透平油?；疐LiBe可實(shí)現(xiàn)部分相似。通過(guò)數(shù)值模擬初步驗(yàn)證部分相似?；椒ㄊ强尚械?。

氟鹽冷卻高溫堆，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)，渦流二極管，?；治?，F(xiàn)liBe

氟鹽冷卻高溫堆(Fluoride-salt-cooled Hightemperature Reactor, FHR)是一種新型反應(yīng)堆，其概念設(shè)計(jì)中采用了基于自然循環(huán)的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)[1]。在事故工況時(shí)，如全場(chǎng)斷電等事故，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)不依賴外力驅(qū)動(dòng)就能保證堆芯溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)限值，從而確保堆芯安全。由于單向流動(dòng)特性（反向流動(dòng)阻力大，正向流動(dòng)阻力?。?，渦流二極管作為一種無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的免維修裝置被引入非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中，是非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)成功的關(guān)鍵設(shè)備之一。

由于渦流二極管的單向特性將影響堆芯的熱損失及非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)排出堆芯余熱的能力，作為關(guān)鍵設(shè)備，其單向特性必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。FHR的冷卻劑為FLiBe，因此研究渦流二極管在FLiBe工質(zhì)下的單向性有著重要意義。

直接采用FLiBe熔鹽為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究存在成本高、實(shí)驗(yàn)技術(shù)不成熟等問題。因此，為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件、降低研究成本和保證實(shí)驗(yàn)安全，本文應(yīng)用相似準(zhǔn)則函數(shù)理論，使用較經(jīng)濟(jì)和安全實(shí)驗(yàn)的水、#22透平油和HTS-1(NaNO3-NaNO2-KNO3, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%、40%、53%)代替熔鹽堆冷卻劑FLiBe來(lái)?；治鱿嗤Y(jié)構(gòu)尺寸的渦流二極管單向特性的可行性，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證采用的部分相似?；椒ǖ暮蠊?/p>

1 氟鹽冷卻高溫堆及其非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)

FHR采用高溫球床石墨包覆顆粒三向同性(Tristructural-isotropic, TRISO)燃料，低壓熔融FLiBe氟鹽為冷卻劑，基于自然循環(huán)的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)為余熱排出的主要安全系統(tǒng)[1]。

非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)包括渦流二極管、DHX換熱器(DRACS heat exchanger)、NDHX換熱器(Natural draft air-cooled heat exchanger)和連接管道，系統(tǒng)示意圖見圖1[1]。非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)通過(guò)DHX換熱器將堆芯余熱傳至冷卻回路(Cooling Loop)，再由NDHX換熱器將熱量通過(guò)空冷塔散至大氣中。為減少正常工況的熱損失，堆芯旁路設(shè)置了無(wú)運(yùn)動(dòng)部件具有單向流通性的渦流二極管。當(dāng)反應(yīng)堆正常工況下，主泵運(yùn)行，渦流二極管處于高流阻狀態(tài)，限制冷卻劑流進(jìn)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)回路；當(dāng)非正常工況時(shí)，主泵停止運(yùn)行時(shí)，由冷卻劑通過(guò)堆芯被加熱及通過(guò)DHX換熱器被冷卻所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力形成自然循環(huán)，此時(shí)渦流二極管處于低流阻狀態(tài)，再通過(guò)DHX換熱器將堆芯余熱導(dǎo)出。

圖1 氟鹽冷卻高溫堆的系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of FHR.

2 渦流二極管

圖2為渦流二極管的結(jié)構(gòu)示意圖，其具有兩種工作方式：一種為反向流動(dòng)，流體從切向管以射流態(tài)進(jìn)入渦腔形成旋渦流，進(jìn)入垂直管的難度大，使得流動(dòng)阻力大。另一種為正向流動(dòng)，當(dāng)流體從垂直管流入，流動(dòng)阻力較小。

圖2 渦流二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic sketch of the vortex diode.

衡量渦流二極管性能最重要的指標(biāo)是單向性E，單向性越大，則性能越好。其定義為相同流速下，反向流動(dòng)阻力系數(shù)與正向流動(dòng)阻力系數(shù)的比值：

式中，Eur為反向阻力系數(shù)；Euf為正向阻力系數(shù)。

式中，ΔP為渦流二極管兩端的壓降；ρ為流體密度，kg·m-3；V為與渦腔連接的噴管處流體速度，m·s-1。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2-5]研究結(jié)果表明：渦流二極管的單向性E與渦流二極管的幾何形狀、入口條件和雷諾數(shù)Re有關(guān)。單向性隨著雷諾數(shù)Re增大而增強(qiáng)，當(dāng)Re增大到某一值（臨界雷諾數(shù)Rec）時(shí)，單向性將保持不變，稱為最大單向性Dmax[4-5]。

其中，雷諾數(shù)：

式中，D為與渦腔連接的噴管內(nèi)徑，m；μ為動(dòng)力粘度，Pa·s；ν為運(yùn)動(dòng)粘度，m2·s-1。

在堆芯正常工況時(shí)渦流二極管處于反向流動(dòng)，事故工況時(shí)處于正向流動(dòng)，為保證堆芯余熱順利地導(dǎo)出和降低正常工況的熱損失，應(yīng)用于DRACS的理想渦流二極管要求單向性應(yīng)盡可能的高。

目前渦流二極管已被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)中作為放射性溶液的輸送裝置（渦流二極管泵[6-7]），同時(shí)也被應(yīng)用于石油行業(yè)作為控制流體流動(dòng)的堵塞調(diào)節(jié)閥[8]、醫(yī)學(xué)[9]和化工等行業(yè)。而渦流二極管應(yīng)用于FHR上還需詳細(xì)的研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于直接采用FHR冷卻劑FLiBe進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在成本高、實(shí)驗(yàn)技術(shù)不成熟等問題，因此可選擇比較安全和更方便實(shí)驗(yàn)替代FLiBe的工質(zhì)研究渦流二極管的單向性能，本文選擇水、#22透平油和HTS-1作為替代工質(zhì)。

3 ?；治?/h2>

根據(jù)相似理論，模化實(shí)驗(yàn)必須遵循：(1) 幾何相似，本文模型與原型尺寸相同；(2) 運(yùn)動(dòng)相似；(3)動(dòng)力相似[10]。為使模型流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)完全相似，需模擬流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)的全部準(zhǔn)則數(shù)分別相等。渦流二極管內(nèi)的流動(dòng)可等效為粘性不可壓縮定常流動(dòng)問題，這就應(yīng)使雷諾準(zhǔn)則、歐拉準(zhǔn)則、弗勞德準(zhǔn)則數(shù)分別相等[10]，即：

式中，m模型（水/透平油/HTS-1），p原型(FLiBe)；

為保證模型流動(dòng)與實(shí)物流動(dòng)完全相似，需同時(shí)滿足雷諾準(zhǔn)則、歐拉準(zhǔn)則和弗勞德準(zhǔn)則，即由CD=Cg=1，則CV=Cv=CΔP=Cρ=1。由于與FLiBe的運(yùn)動(dòng)粘度υ和密度ρ相等的流體很難得到，即使找到也未必安全方便實(shí)驗(yàn)。因此，可采用部分相似進(jìn)行模擬，部分相似依然可以準(zhǔn)確說(shuō)明兩現(xiàn)象相似性。

圖3為FLiBe、HTS-1、#22透平油和飽和水在不同溫度時(shí)的密度、動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度。從圖3中可以看出，HTS-1的密度和動(dòng)力粘度可與FLiBe在不同溫度時(shí)達(dá)到相等的值，即Cv=Cρ=1，由CD=Cg=1，根據(jù)式(4)、(6)可得CV=1，根據(jù)式(5)可得CΔP=1。此時(shí)雷諾準(zhǔn)則、歐拉準(zhǔn)則、弗勞德準(zhǔn)則可同時(shí)滿足，即HTS-1?；疐LiBe在渦流二極管內(nèi)流動(dòng)可實(shí)現(xiàn)完全相似。當(dāng)用水和#22透平油模化FLiBe在渦流二極管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，無(wú)法同時(shí)滿足雷諾準(zhǔn)則、歐拉準(zhǔn)則、弗勞德準(zhǔn)則。由于弗勞德準(zhǔn)則數(shù)與重力相關(guān)，在本研究中重力對(duì)流動(dòng)的影響基本可以忽略，即考慮雷諾數(shù)與歐拉數(shù)相等，式(4)和(5)，CD=1，則：CV=Cμ/Cρ=Cv，CΔP=Cμ2/Cρ，就可保證模型流動(dòng)與原型流動(dòng)部分相似。

表1為不同溫度FLiBe與HTS-1、25°C水和80°C透平油在渦流二極管內(nèi)流動(dòng)時(shí)速度和壓降的比值。熔鹽堆堆芯正常工況下和事故工況下冷卻劑FLiBe的溫度為600-700°C，從表1可以看出：

(1) FLiBe/水的CΔP＞20，CV＞3.2。即 25°C水?；疐LiBe在渦流二極管內(nèi)的流動(dòng)達(dá)到相似，需求的進(jìn)口速度比FLiBe低，產(chǎn)生的壓降也更低。

(2) #22透平油/水的CΔP＜1，CV＜1。即80°C的#22透平油FLiBe在渦流二極管內(nèi)的流動(dòng)達(dá)到相似，需求的進(jìn)口速度比FLiBe高。

圖3 不同流體的密度對(duì)比(a)和動(dòng)力粘度對(duì)比(b)Fig.3 Comparison of densities (a) and dynamic viscosities (b) of various fluids.

表1 渦流二極管在不同工質(zhì)下流動(dòng)參數(shù)的比值Table 1 Ratios of flow parameters of the vortex diode of different fluids.

4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證?；Y(jié)果的準(zhǔn)確性，利用CFD (Computational fluid dynamics) ANSYS軟件對(duì)渦流二極管的單向性進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬，工質(zhì)采用水和FLiBe，圖4為數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：渦流二極管在FLiBe與水下的單向性隨雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致。即對(duì)不同的流體，相同尺寸渦流二極管的單向性可被描述為雷諾數(shù)的函數(shù)，可見本文的部分相似?；椒ㄊ强尚械?。

圖4 在水和FLiBe工質(zhì)下渦流二極管的單向性隨雷諾數(shù)的變化曲線Fig.4 Plot of E vs. Re of vortex diode of H2O and FLiBe.

5 結(jié)語(yǔ)

渦流二極管作為氟鹽冷卻高溫堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用至堆芯需經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于直接采用冷卻劑FLiBe進(jìn)行實(shí)驗(yàn)難度大及成本高，本文根據(jù)相似理論采用替代實(shí)驗(yàn)工質(zhì)代替FLiBe研究渦流二極管的單向特性。

(1) 替代實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的?；治鼋Y(jié)果表明，采用HTS-1、水和#22透平油工質(zhì)代替FLiBe研究相同結(jié)構(gòu)尺寸渦流二極管內(nèi)的流動(dòng)特性是可行的，HTS-1?；疐LiBe在渦流二極管內(nèi)流動(dòng)可實(shí)現(xiàn)完全相似，水和#22透平油模化FLiBe可實(shí)現(xiàn)部分相似。

(2) 對(duì)采用替代實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的部分相似?；椒ㄟM(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明此?；椒ㄊ强尚械?。

1 Forsberg C, Hu L W, Peterson P F, et al. Fluoride-salt-cooled high-temperature reactors (FHRs) for base-load and peak electricity, grid stabilization, and process heat[R]. America: Massachusetts Institute of Technology, University of California at Berkeley, and University of Wisconsin, 2013

2 Zobel R. Experiments on a hydraulic reversing elbow[J]. Mitt Hydraul Inst Munich, 1930, 19(8): 1-47

3 Priestman G H. A study of vortex throttles Part 1: experimental[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 1987, 201(5): 331-336

4 Kulkarni A A, Ranade V V, Rajeev R, et al. CFD simulation of flow in vortex diodes[J]. American Institute of Chemical Engineers Journal, 2008, 54(5): 1139-1152

5 Kulkarni A A, Ranade V V, Rajeev R, et al. Pressure drop across vortex diodes: experiments and design guidelines[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64(6): 1285-1292

6 郭彥華. 核用氣動(dòng)式脈沖液體射流泵和渦流二極管泵性能實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2004 GUO Yanhua. Experimental study on the performance of pneumatic pulsed liquid jet pump and vortex diode pump used in nuclear industry[D]. Beijing: Tsinghua University, 2004

7 王樂勤, 孫青軍, 焦磊. 渦流二極管泵輸送系統(tǒng)性能研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2009, 30(9): 1499-1501 WANG Leqin, SUN Qingjun, JIAO Lei. A study on the performance of vortex diodes pumping system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2009, 30(9): 1499-1501

8 Michael J, Bowe A L W. Fluidic apparatus[P]. US Patent 4887628, 1989

9 Param I, Mass S L. Vortex-diode check valve with flexible diaphragm[P]. US Patent 4295988, 1981

10 李之光. 相似與?；ɡ碚摷皯?yīng)用）[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1982 LI Zhiguang. Similitude and modeling (theory and applications)[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1982

CLCTL426

Modeling of the vortex diode’s diodicity of FliBe with alternative fluids

WU Yanhua CAO Yin QU Shixiang HE Zhaozhong CHEN Kun
(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background:Vortex diode was a critical equipment of the passive residual heat removal system. The diodicity will affect the residual heat removal capability during accident conditions and heat losses during normal operations of the fluoride-salt-cooled high-temperature reactor (FHR). And difficulty and high cost of coolant FLiBe salt experiments are stirred up due to its strong corrosion and high melting point.PurposeThe aim is to find out whether alternative fluids that are safer and experimental friendly, such as H2O, #22 turbine oil and HTS-1 (NaNO3-NaNO2-KNO3, 7%-40%-53%) could be used in the experiment to study the diodicity of the vortex diode.Methods:A fluid to fluid modeling method based on the similarity principles was adopted. In addition, the feasibility of the modeling was studied using computational fluid dynamics (CFD).ResultsThe flowing condition of HTS-1 in the vortex diode can have a complete similarity to the FLiBe, and #22 turbine oil and H2O can have a partial similarity to the FLiBe.ConclusionIt is feasible to use HTS-1, H2O and #22 turbine oil instead of FLiBe to study the diodicity of a vortex diode with same structures.

Fluoride-salt-cooled high-temperature reactor (FHR), Passive residual heat removal system, Vortex diode, Modeling, FliBe

TL426

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.110602

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目(No.XDA02050000)資助

吳燕華，女，1988年出生，2012年于西安交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要從事核安全與核技術(shù)相關(guān)方面的研究

何兆忠，E-mail: hezhaozhong@sinap.ac.cn

2014-07-08，

2014-07-15