楊洪建，陳德峰，李 錚，李言瑞

(1.哈爾濱工程大學(xué)，核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001;2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢430064)

國內(nèi)外學(xué)者對于下腔室的相關(guān)研究主要采用數(shù)值模擬和熱工水力實(shí)驗(yàn)[1－5]兩種方法.相對于熱工水力實(shí)驗(yàn)的方法，數(shù)值模擬具有成本低、速度快、更為接近實(shí)際模型等優(yōu)點(diǎn)，因此采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析已經(jīng)成為了一種被廣大學(xué)者所認(rèn)可的研究方法.Yvan Fournier、Christelle Vurpillot等[6]采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了壓水堆下腔室、環(huán)形下降段以及堆芯的流場分布.在建立了與實(shí)體模型尺寸相一致模型后，研究者在劃分網(wǎng)格時(shí)采用了非一致的思想，整體劃分了543 438個(gè)六面體網(wǎng)格，其中下腔室263 842個(gè)網(wǎng)格.采用非一致的思想能夠使得下腔室網(wǎng)格數(shù)量大幅度下降，有利于計(jì)算.但是，這會(huì)給數(shù)據(jù)處理帶來不便.并且采用非一致思想劃分的網(wǎng)格，在計(jì)算時(shí)相鄰兩層網(wǎng)格差值為非連續(xù)的，計(jì)算數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生誤差.Ji Hwan Jeong、Byoung－Sub Han 等[7－10]，在采用 CFD 方法對下腔室進(jìn)行研究時(shí)，為了減化計(jì)算，對模型進(jìn)行了簡化，假設(shè)下腔室是中心對稱的.因此，在研究時(shí)，選取了1/4的下腔室建立模型.但是，下腔室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜極其不規(guī)則，不具有中心對稱的幾何特性.因此這一假設(shè)會(huì)給計(jì)算帶來一定的誤差.

本文以秦山二期壓水堆電站作為研究對象，對其下腔室進(jìn)行數(shù)值模擬.采用四面體網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到了下腔室內(nèi)部的流場、壓力場分布情況以及下腔室出口處的流量分配情況，并對結(jié)果進(jìn)行了分析.

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

環(huán)形下降段部分結(jié)構(gòu)簡單，在建立模型時(shí)較為輕松.下腔室內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括以下幾個(gè)部分:堆芯支撐板、徑向支撐塊、兩層連接板、壓力支撐緩沖器以及一些支撐柱、測量管等.下腔室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜給建模帶來了巨大的困難，為此需要對下腔室模型進(jìn)行相關(guān)的簡化.簡化的基本原則為簡化那些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時(shí)又對流場的影響較為小的一些部件.

依據(jù)該原則，對于下腔室內(nèi)部的螺釘、螺母等一些小的部件不予以考慮;由于安全壓力緩沖器對于流場影響相對較小，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)增加網(wǎng)格劃分難度.它與下腔室壁面不相接觸，而且兩者間的間距很小，劃分網(wǎng)格時(shí)，在這個(gè)位置會(huì)形成質(zhì)量較差的網(wǎng)格，為此對壓力安全緩沖器也不予以考慮.經(jīng)過簡化，最終建立了滿足計(jì)算要求的下腔室模型，圖1、2、3、4分別為環(huán)形下降段俯視圖、下腔室俯視圖、下腔室內(nèi)部示意圖以及兩層連接板俯視圖.

圖1 環(huán)形下降段俯視圖

圖2 下腔室俯視圖

圖3 下腔室內(nèi)部示意圖

圖4 連接板俯視圖

1.2 網(wǎng)格劃分

下腔室內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，給網(wǎng)格劃分帶來了巨大的困難.它主要體現(xiàn)在:

1)內(nèi)部管路眾多，而且管徑大小不一;

2)兩層連接板形狀極其不規(guī)則，容易產(chǎn)生質(zhì)量差的網(wǎng)格;

3)圓管與下腔室外壁面相交，產(chǎn)生不規(guī)則的截面.

考慮到上述情況，在對下腔室進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用四面體網(wǎng)格.圖5展示了下腔室網(wǎng)格分布情況.

飲食治療要點(diǎn)：忌吃或少吃含膽固醇高的食物，如動(dòng)物內(nèi)臟、蛋黃、魷魚、墨魚、魚子等。應(yīng)適量攝入含膽固醇不太高的食物，如瘦肉、魚類和奶類。適當(dāng)增加植物油，每月吃500g～750g植物油(豆油、玉米油、菜油等)比較理想。多吃蔬菜、瓜果，以增加纖維的攝入。多吃些有降膽固醇作用的食物，如大豆及其制品、洋蔥、大蒜、香菇、木耳等。

圖5 下腔室網(wǎng)格

對于環(huán)形下降段部分，由于其結(jié)構(gòu)簡單，因此采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分.圖6展示了環(huán)形下降段網(wǎng)格分布情況.

圖6 環(huán)形下降網(wǎng)格

1.3 下腔室網(wǎng)格無關(guān)性分析

對下腔室進(jìn)行研究時(shí)，由于下腔室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)量較多，因此劃分了四種不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析.在對這四種網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算時(shí)，統(tǒng)一采用k–ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，入口處速度都選取為2.2 m/s，相關(guān)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)見表1所示.在四組網(wǎng)格計(jì)算精度達(dá)到后1×10－5，選取下腔室中心線處速度進(jìn)行比較分析(見圖7).從圖7中可以看出，Case 2、Case 3、Case 4的結(jié)果較為相近，而Case 1與前三組相比存在較大差異.在考慮計(jì)算精度的同時(shí)還必須合理的利用計(jì)算資源，因此，Case 2是較為合理的一組網(wǎng)格.

表1 網(wǎng)格數(shù)據(jù)表

1.4 計(jì)算條件

計(jì)算過程中，流動(dòng)的工質(zhì)為水，假定為單相、不可壓縮，溫度為40℃，壓力為0.5 MPa.工質(zhì)的雷諾數(shù)數(shù)量級(jí)為，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程湍流模型以及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.計(jì)算結(jié)果要求達(dá)到.

環(huán)形下降段入口處速度選取為5.81 m/s，環(huán)形下降段出口選定為壓力出口0.5 MPa.下腔室入口處速度，采用環(huán)形下降段出口計(jì)算所得的速度進(jìn)行賦值，下腔室出口選定為壓力出口0.5 MPa.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 流場分析

對于環(huán)形下降段以及下腔室流場分析主要采用流線圖.圖8展示了環(huán)形下降段流場分布情況.從圖中可以看出環(huán)形下降段流場分布規(guī)律:流體從環(huán)形下降段的兩個(gè)入口沿水平方向流入，再由水平方向的圓管中流出，然后會(huì)成放射狀向四周流去.在這一過程中，由于流體速度較大，大部分流體會(huì)繼續(xù)沿水平方向流動(dòng)，這部分流體會(huì)撞擊到環(huán)形下降段內(nèi)壁上，然后向四周流去.由于內(nèi)壁面成圓柱形，因此大部分流體會(huì)沿水平方向向兩側(cè)流動(dòng)，最后受到重力的作用，流體向下流動(dòng)，流至環(huán)形下降段出口.這一過程，使得流體在出口處分布出現(xiàn)不均勻的情況.在環(huán)形下降段兩個(gè)入口的正下方出口處，流體流速較小;而在與之相距90°的位置，流體的流速較大.圖9、10展示了下腔室流場分布情況(圖10為圖9旋轉(zhuǎn)90°)，從圖中可以看出下腔室流場分布規(guī)律:環(huán)形下降段兩個(gè)入口正下方兩個(gè)區(qū)域的流體流速較小，這兩部分流體在進(jìn)入下腔室后，未能流至下腔室底部，而是直接通過支撐板流向出口;在與環(huán)形下降段入口正下方區(qū)域的相距90°的兩個(gè)區(qū)域，這兩部分流體的流速較大，進(jìn)入下腔室后繼續(xù)流動(dòng)直至下腔室底部.兩部分流體在下腔室底部出現(xiàn)混合，由于兩者流動(dòng)方向相反，因此混合后的流體成倒八字形向上流動(dòng)，依次通過兩層鏈接板、支撐板，最終從出口處流出.

圖8 環(huán)形下降段流場分布

圖9 下腔室流場分布

圖10 下腔室流場分布

2.2 下腔室壓力場分析

圖11中給出了下腔室所受壓力分布情況.從壓力分布圖中可以看出，最大壓力出現(xiàn)在兩塊支撐塊及其附近壁面處.由于下腔室入口處流體分布不均勻，而且流體豎直向下流經(jīng)支撐塊會(huì)與之發(fā)生碰撞，因此下腔室入口流速較大區(qū)域下方的支撐塊將承受最大的壓力.對于下腔室內(nèi)的若干圓管，從圖12中可以看出，靠近下腔室底部的圓管，所受的壓力較大，越往上所受壓力越小.這是由于流體從下腔室底部流向出口時(shí)，由于受到若干結(jié)構(gòu)的阻礙，流體流速逐漸降低的緣故.同樣的道理，下層的連接板所受壓力要大于上層的連接板.

圖11 下腔室壓力分布圖

圖12 下腔室內(nèi)部圓管所受壓力分布圖

2.3 下腔室出口流量分析

流體從下腔室中流出后將會(huì)進(jìn)入到堆芯中，因此下腔室對于堆芯起著流場分配的作用.由于堆芯的流動(dòng)特性決定其換熱特性，為了確保堆芯的安全，進(jìn)入堆芯的冷卻劑應(yīng)當(dāng)盡量的均勻.圖13為下腔室出口處流場分布.

為了能更好的分析下腔室出口流量分配情況，根據(jù)堆芯燃料組件的分布情況，將下腔室出口的區(qū)域劃分為三個(gè)部分進(jìn)行分析，如圖14所示.通過計(jì)算最終得到了在三個(gè)區(qū)域內(nèi)單個(gè)燃料組件通道的平均流量，如圖15所示.從圖中可以看出下腔室出口處流量分布都滿足同一規(guī)律:由中心至邊緣，流量依次遞減.

圖13 下腔室出口速度分布

圖14 下腔室出口區(qū)域的劃分

圖15 三個(gè)區(qū)域內(nèi)單個(gè)燃料組件通道的平均流量

3 結(jié)論

本文對反應(yīng)堆下腔室進(jìn)行了模擬，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析.研究結(jié)果表明:

1)下腔室部分最大壓力出現(xiàn)在主要兩塊支撐塊及其附近壁面處;

2)下腔室出口處流體流量分布遵循從中心至邊緣依次遞減這一規(guī)律.

以上的研究結(jié)論有待進(jìn)一步分析驗(yàn)證，同時(shí)該結(jié)果為反應(yīng)堆安全分析提供了一些經(jīng)驗(yàn)，有一定的借鑒意義.

[1]汪利民，宗桂芳，尹 濤.600MW反應(yīng)堆堆芯入口流量分配實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1999，20(2):185－189.

[2]楊來生，宗桂芳，胡 俊.秦山核電二期工程反應(yīng)堆水力模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].核動(dòng)力工程，2003，24(2):208－215.

[3]汪曉林，朱麗東，高際運(yùn).壓水堆上腔室模擬體三維流場分析[J].核動(dòng)力工程，1995，16(3):332－336.

[4]喻丹萍，胡永陶.秦山核電二期工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件模型流致振動(dòng)試驗(yàn)研究[J].核動(dòng)力工程，2003，24(2):43－52.

[5]葉奇蓁，喻丹萍，方小朋，等.秦山核電二期工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)試驗(yàn)[J].核動(dòng)力工程，2003，24(2):498－502.

[6]FOURNIER Y，VURPILLOT C，BECHAUD C.Evaluation of fluid in the lower core of a PWR With Code － Saturne[J].Nuclear Engineering and Design，2007，237(15－17):1729－1744.

[7]JEONG J H，HAN B S.Coolant flow field in a real geometry of PWR downcomer and lower plenum[J].Annals of Nuclear Energy，2008，35(4):610 －619.

[8]劉 彬，景 益.AP1000反應(yīng)堆下腔室三維流場計(jì)算與分析[J].核電工程與技術(shù)，2009，2:1－5.

[9]張曙明，李華奇，趙民富，等.秦山核電站二期反應(yīng)堆堆芯流量分配數(shù)值分析[J].核動(dòng)力工程，2010，30(4):299－307.

[10]張 明，朱麗兵，姚偉達(dá).300MW壓水堆核電站反應(yīng)堆下腔室流場數(shù)值模擬[C]//第十一屆全國反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)會(huì)議，2000:25－30.