毛輝輝，盧 川，張宏亮，何培峰

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核動(dòng)力設(shè)計(jì)研究所，四川成都 610041；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041）

秦山二期核電廠反應(yīng)堆下腔室交混特性CFD分析研究

毛輝輝1，盧 川2，張宏亮2，何培峰1

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核動(dòng)力設(shè)計(jì)研究所，四川成都 610041；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041）

運(yùn)用CFD方法對(duì)秦山二期核電廠反應(yīng)堆下腔室的冷卻劑流動(dòng)及交混特性進(jìn)行了計(jì)算分析，并與反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示：對(duì)于堆芯入口流量分配特性，無論采用迎風(fēng)差分格式還是高精度差分格式，CFD計(jì)算結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果符合較好；對(duì)于下腔室交混特性，兩種差分格式的計(jì)算結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果差異較大，相對(duì)而言，迎風(fēng)格式的計(jì)算結(jié)果在最大與最小交混因子方面與試驗(yàn)結(jié)果更接近。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，是否考慮主泵引起的螺旋流動(dòng)很可能是造成計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果偏差的主要原因。

CFD方法；反應(yīng)堆；下腔室；交混

秦山二期核電廠采用電功率為60萬kW的壓水堆，每座反應(yīng)堆包括兩條主冷卻劑環(huán)路，每條環(huán)路又包括主泵和蒸汽發(fā)生器等主要設(shè)備。反應(yīng)堆下腔室包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜的下部堆內(nèi)構(gòu)件，其對(duì)下腔室的流場(chǎng)特性影響顯著。在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)階段，曾通過開展整體水力模擬試驗(yàn)獲得了反應(yīng)堆堆芯入口流量分配特性及下腔室交混特性［1］。張曙明等［2］對(duì)秦山二期核電廠反應(yīng)堆堆芯入口流量分配特性進(jìn)行了CFD計(jì)算，獲得了與試驗(yàn)相吻合的計(jì)算結(jié)果。但迄今為止，尚未見有文獻(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆下腔室冷卻劑的交混特性進(jìn)行CFD計(jì)算模擬分析。

對(duì)于反應(yīng)堆下腔室的交混特性，國(guó)外學(xué)者曾開展過相關(guān)研究［3－6］。本文在上述研究基礎(chǔ)上，采用CFD方法對(duì)秦山二期核電廠反應(yīng)堆下腔室的交混特性進(jìn)行分析研究，并與整體水力模擬試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，以期為反應(yīng)堆相關(guān)工程研究設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)描述與結(jié)果

整體水力模擬試驗(yàn)［1］臺(tái)架與原型的整體模型比例為1∶4，試驗(yàn)通過測(cè)量進(jìn)入每盒組件入口的流量來統(tǒng)計(jì)堆芯入口流量分配系數(shù)，堆芯入口流量分配系數(shù)是指進(jìn)入堆芯某盒組件的流量與堆芯組件平均流量的比值。試驗(yàn)中通過向一條環(huán)路注入鹽水，并測(cè)量堆芯入口區(qū)域的電導(dǎo)率來測(cè)量交混因子。交混因子是指堆芯某一組件的入口流量中，來自某一環(huán)路的份額。

圖1示出通過試驗(yàn)測(cè)得的堆芯入口流量分配系數(shù)。由圖1可見，堆芯入口流量分配較均勻，最大流量分配系數(shù)為1.09，最小流量分配系數(shù)為0.912。圖1中有部分空白，為測(cè)量時(shí)流量計(jì)損壞而未測(cè)得數(shù)據(jù)所致。

圖2示出試驗(yàn)獲得的下腔室交混因子。由圖2可見，堆芯入口越靠近注入方向，交混因子越大，最大交混因子甚至高達(dá)1.004，且流動(dòng)具有沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的規(guī)律。

2 計(jì)算模型

基于秦山二期核電廠反應(yīng)堆原型結(jié)構(gòu)幾何建模，如圖3所示。模型模擬了從主管道入口管到堆芯出口上升段之間的區(qū)域。其中，堆芯區(qū)域采用簡(jiǎn)化模型加阻力源項(xiàng)的方法，下降環(huán)腔和下腔室區(qū)域采用盡量模擬原型結(jié)構(gòu)的方法。圖4示出通過網(wǎng)格劃分獲得的局部網(wǎng)格示意圖?？傮w而言網(wǎng)格質(zhì)量較高，能精細(xì)描述下腔室內(nèi)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，整個(gè)計(jì)算模型最終選用了約4 500萬網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格模型。

圖1 堆芯入口流量分配系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test result of core inlet mass flow distribution coefficient

圖2 下腔室交混因子的試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test result of lower plenum mixing factor

圖3 計(jì)算模型示意圖Fig.3 Scheme of calculation model

圖4 局部網(wǎng)格示意圖Fig.4 Scheme of local mesh

計(jì)算采用CFX14.0軟件，分別定義water1和water2表征不同入口管流入的冷卻劑，采用Homogeneous Model表征water1和water2具有相同的流體物理特性。湍流模型采用文獻(xiàn)［6］推薦的SST模型，計(jì)算不考慮傳熱。入口邊界給定流量，出口邊界采用壓力邊界。計(jì)算時(shí)分別采用了迎風(fēng)和高精度差分格式。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 堆芯入口流量分配特性

圖5示出采用高精度和迎風(fēng)差分格式獲得的堆芯入口流量分配系數(shù)計(jì)算結(jié)果。對(duì)比圖1的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩種差分格式計(jì)算獲得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均符合較好，計(jì)算獲得的最大流量分配系數(shù)與最小流量分配系數(shù)均與試驗(yàn)結(jié)果偏差較小，從流量分配系數(shù)的分布特性而言，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果也大致相近。從流量分配的計(jì)算結(jié)果可大致判斷，本文計(jì)算所采用的網(wǎng)格方案及計(jì)算方法具有較大的合理性。

3.2 下腔室交混特性

圖5 堆芯入口流量分配系數(shù)的計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation result of core inlet mass flow distribution coefficient

圖6 下腔室交混因子的計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation result of lower plenum mixing factor

圖6示出采用高精度和迎風(fēng)差分格式獲得的下腔室交混因子的計(jì)算結(jié)果。通過與圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種差分格式計(jì)算獲得的交混因子分布總體上與試驗(yàn)一致，即靠近注入管線的方向交混因子大，非注入管線方向交混因子小。但采用高精度差分格式計(jì)算獲得的交混因子最大值僅為0.759，最小值高達(dá)0.180，與試驗(yàn)結(jié)果相比高估了下腔室的交混能力。采用迎風(fēng)差分格式計(jì)算獲得的交混因子最大值為0.971，最小值為0.024，與試驗(yàn)結(jié)果更加接近。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)獲得的交混因子分布具有沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)（可能與下腔室流體的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)有關(guān)），且正對(duì)注入管線方向的區(qū)域交混因子最大，而計(jì)算結(jié)果并未呈現(xiàn)出交混因子沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的規(guī)律，且交混因子最大的區(qū)域位于注入管線相鄰兩側(cè)的方向，正對(duì)注入管線的方向其交混因子反而略小。

Rohdea等［4］在ROCOM試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)量得到的交混因子最高值位于與注入管線相鄰的一側(cè)，為0.94。Bieder等［5］通過試驗(yàn)獲得了VVER-1000核電廠的交混因子分布，其最大值（約0.97）也分布在與注入管線相鄰的一側(cè)。Botcher等［6］采用CFD方法計(jì)算得到了交混因子的分布，在未考慮主泵引起的冷卻劑螺旋旋轉(zhuǎn)時(shí)，交混因子具有明顯的梯度分布，但當(dāng)考慮主泵旋轉(zhuǎn)引起冷卻劑螺旋旋轉(zhuǎn)時(shí)，交混因子則具有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的分布規(guī)律。因此，由文獻(xiàn)［1，4-6］可判斷，圖2呈現(xiàn)的交混因子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)規(guī)律很可能是由主泵旋轉(zhuǎn)引起的螺旋流動(dòng)通過下腔室傳遞到堆芯入口區(qū)域所引起。然而，本文在計(jì)算時(shí)并未考慮由主泵引起的冷卻劑螺旋流動(dòng)，因此未觀察到圖2所示的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)規(guī)律。另外，圖6b呈現(xiàn)的交混因子分布在注入管線相鄰兩側(cè)的規(guī)律在文獻(xiàn)［4-5］中得到部分印證。在交混因子最大數(shù)值方面，國(guó)外學(xué)者研究獲得的最大交混因子均在0.95左右，這與本文計(jì)算結(jié)果一致。因此可判斷，迎風(fēng)差分格式在交混因子的計(jì)算方面更加適用。

4 結(jié)論與建議

本文運(yùn)用CFD方法對(duì)秦山二期核電廠反應(yīng)堆的堆芯入口流量分配特性及下腔室交混特性進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，迎風(fēng)和高精度差分格式在預(yù)測(cè)堆芯入口流量分配方面均具有較好的能力，但在預(yù)測(cè)下腔室交混特性方面，迎風(fēng)差分格式獲得了相對(duì)更好的預(yù)測(cè)結(jié)果。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，主泵葉片旋轉(zhuǎn)所引起的冷卻劑螺旋流動(dòng)很可能是造成試驗(yàn)中交混因子分布逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的原因。因此，在獲得試驗(yàn)中主泵葉片的旋轉(zhuǎn)特性后應(yīng)進(jìn)一步考慮主泵引起的螺旋流因素。采用CFD方法分析反應(yīng)堆下腔室交混特性時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮迎風(fēng)差分格式。

［1］ 楊來生，宋桂芳，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（S1）：208-211.

YANG Laisheng，SONG Guifang，HU Jun.Reactor hydraulic simulation test study of Qinshan PhaseⅡNPP Project［J］.Nuclear Power Engineering，2003，24（S1）：208-211（in Chinese）.

［2］ 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］.核科學(xué)與工程，2010，30（4）：299-307.

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［4］ ROHDEA U，H?HNE T，KLIEM S.Fluid mixing and flow distribution in a primary circuit of a nuclear pressurized water reactor validation of CFD codes［J］.Nuclear Engineering and Design，2007，237：1 639-1 655.

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Analysis Research on Mixing Characteristics of Lower Plenum of Qinshan PhaseⅡNPP by CFD Method

MAO Hui-hui1，LU Chuan2，ZHANG Hong-liang2，HE Pei-feng1
（1.Nuclear Power Design and Research Sub-institute，Nuclear Power Institute of China，Chengdu610041，China；2.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu610041，China）

The flowing and mixing characteristics of the lower plenum of Qinshan PhaseⅡNPP were analyzed by CFD method.The calculation results were compared with the results of the reactor hydraulic simulation test.On core inlet mass flow distributions，both upwind and high resolution advection schemes show good agreements with test results.While on lower plenum mixing characteristics，the calculation results from either upwind or high resolution advection schemes show relatively large differences to the test data.Relatively，upwind advection schemes predict better anticipations on maximum and minimum mixing factors.Furthermore，whether or not considering helix flow by main pump is the most possible key factor that leads to difference between CFD calculation and test results.

CFD method；reactor；lower plenum；mixing

TL351

：A

：1000-6931（2015）01-0047-04

10.7538／yzk.2015.49.01.0047

2013-11-06；

2014-05-14

毛輝輝（1983—），男，浙江寧波人，工程師，碩士研究生，核工程專業(yè)