丁宗華， 劉　彬， 林紹萱， 張　明

(上海核工程研究設計院， 上海 200233)

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核電技術

CAP1400反應堆整體水力模擬試驗件的設計

丁宗華， 劉彬， 林紹萱， 張明

(上海核工程研究設計院， 上海 200233)

摘要：為了驗證CAP1400反應堆堆芯入口流量分配的均勻程度和獲得反應堆進口接管至出口接管各關鍵段的水力特性(流速和壓降)，需要開展CAP1400反應堆整體水力模擬試驗的試驗件設計,對此詳細介紹了模型比例主要考慮因素、比例模型遵守的相似關系、模型設計原則以及主要模擬試驗件設計細節(jié)，為類似試驗件設計提供借鑒。

關鍵詞：反應堆； 水力模擬； 試驗件; 相似關系

反應堆內(nèi)部冷卻劑的流動錯綜復雜[1]，采用理論計算難以給出準確的反應堆內(nèi)部流動特性參數(shù)，而模型試驗作為研究復雜結構內(nèi)部流體流動特性的重要手段之一，可以用于驗證設計計算方法的有效性和準確性。由于經(jīng)濟性及試驗限制條件等因素的影響，CAP1400反應堆整體水力模擬試驗建造幾何尺寸與原型要完全相同的模型試驗裝置不太現(xiàn)實。目前國內(nèi)外通常采用縮小比例的比例模型開展試驗，研究反應堆內(nèi)部流體流動特性。

CAP1400反應堆整體水力模擬試驗，驗證CAP1400反應堆堆芯入口流量分配的均勻程度，并獲得堆內(nèi)流體作用下各關鍵段的水力特性(流速和壓降)，為CAP1400反應堆設計分析提供必需的數(shù)據(jù)。反應堆整體水力模擬試驗件比例模型的設計是否合理，直接影響試驗的測量數(shù)據(jù)能否真實反映反應堆內(nèi)部流體流動特性，并用于設計分析。但考慮到比例模型的經(jīng)濟性、制造加工難度、安裝可行性以及測點引線等因素，需要對比例模型進行詳細設計。筆者對反應堆整體水力模擬試驗件模型比例主要考慮因素、比例模型遵守的相似關系、模型設計原則及主要模型結構設計細節(jié)進行了詳細地介紹。

1模型比例

反應堆整體水力模擬試驗在某研究設計院已有水力回路上進行，需要對現(xiàn)有的試驗回路進行必要的改造，以滿足CAP1400反應堆整體水力模擬試驗的要求。模型比例確定主要考慮下述幾方面：(1)由于實堆反應堆內(nèi)部結構復雜，模型設計時需考慮加工、裝配方便；(2)模型設計同時需要關注測量方面的要求，設計需要考慮傳感器的安裝布置、信號線的引出、引線和傳感器本身對流場的干擾；(3)現(xiàn)有試驗回路改造時需考慮試驗回路的改造內(nèi)容、規(guī)模、周期和費用；(4)模型的經(jīng)濟性。綜合上述幾方面進行詳細論證分析，最終確定本試驗采用1∶6比例進行模型設計。

2相似關系

模型相似是比例模型試驗的理論基礎。要進行模型試驗，必須考慮如何設計模型，如何選擇模型流動中的介質(zhì)，才能保證與實堆流動相似，使得模型上測得的試驗數(shù)據(jù)可以正確地換算到實堆。如果要模型與實堆的流動力學相似，那么它們必須滿足幾何相似、運動相似、動力相似及邊界條件相似。

由于實堆反應堆內(nèi)流體流動是速度遠低于聲速的穩(wěn)態(tài)流動，且進出口溫差比較小、壓力比較高，所以可以按不可壓縮穩(wěn)定等溫黏性流動來處理。實堆冷卻劑和試驗用流動介質(zhì)均可假設為不可壓縮黏性流動流體，從流體運動N-S方程可以得出4個基本相似關系[2-3]：

(1) 表征流體遷移運動的慣性力和當?shù)剡\動的慣性力相等，稱為斯特勞哈爾數(shù)Sr：

(1)

(2) 表征流體遷移運動的慣性力和質(zhì)量力相等，稱為弗勞德數(shù)Fr：

(2)

(3) 表征流體彈性壓力和遷移運動的慣性力相等，稱為歐拉數(shù)Eu：

(3)

(4) 表征流體遷移運動的慣性力和黏性力相等，稱為雷諾數(shù)Re：

(4)

式中：f為頻率；l為幾何尺寸；v為速度；υ為流體動力黏度；ρ為流體密度；p為壓力。

若在比例模型試驗中要全部滿足上述4個相似關系是非常困難的，實際上也是不可實現(xiàn)的，但可根據(jù)不同的試驗要求抓住主要因素而忽略次要因素，使主要的相似關系得到滿足，對其余的相似關系予以放松的原則來實現(xiàn)：

(1) 對于弗勞德數(shù)Fr，反應堆內(nèi)流體主要動力由泵運行產(chǎn)生，它是動能源，而重力所致的非動能源非常小，可以認為重力不影響流場，故可不考慮弗勞德數(shù)Fr相似關系。

(2) 對于斯特勞哈爾數(shù)Sr，反應堆內(nèi)如果僅考慮流體的穩(wěn)態(tài)流動而不考慮瞬態(tài)流動時，則可以不考慮斯特勞哈爾數(shù)Sr相似關系。

(3) 對于雷諾數(shù)Re，模型與實堆要完全相似十分困難，但在實際反應堆內(nèi)冷卻劑的雷諾數(shù)Re很高。只要模型比例合適，取水為介質(zhì)，使得比例模型內(nèi)流體的雷諾數(shù)Re進入自模化區(qū)，流動特性便與雷諾數(shù)Re無關，則雷諾數(shù)Re可以放松。

根據(jù)量綱分析方法，反應堆內(nèi)流體流動特性主要與堆內(nèi)各處流速v、水力當量直徑d、流體密度ρ、流體動力黏度μ、結構表面粗糙度Δ、幾何尺寸l、流動壓差Δp有關。反應堆內(nèi)流動特性可以表達成如下函數(shù)關系：

F(v,d,ρ,μ,Δ,l,Δp)=0

(5)

選取變量v、d、ρ作為基本變量，其余4個變量可以用3個基本變量的量綱的次冪形式表示，可將式(5)表達為：

(6)

根據(jù)π定理[4]，式(6)可表達為：

Eu=F(Re,π1,π2)

(7)

歐拉數(shù)Eu表征壓力和慣性力的作用，等效于流體流動的阻力(包括形狀阻力和摩擦阻力)。因此當比例模型試驗的雷諾數(shù)Re進入自?；瘏^(qū)，只要試驗模型與實堆的流道幾何相似，就能滿足模型與實堆的歐拉數(shù)Eu相似關系。通過模型測量得到的ρ、v、Δp計算出歐拉數(shù)Eu，用于計算實堆壓降。

3模型設計原則

由于反應堆內(nèi)部結構非常復雜，綜合考慮經(jīng)濟性、加工、裝配、測點引線等方面，對試驗模型的結構進行了合理的改動設計。模型設計主要考慮如下幾方面原則：

(1) 影響試驗結果的流道必須幾何相似，為實堆1/6精確模擬。對不影響試驗結果的結構，可以做一些結構改動設計，如可略去本試驗中不需要模擬的結構(堆內(nèi)測量格架組件、上部導向筒組件等)；可以簡化部分組件的結構，如下部導向筒組件內(nèi)部結構、堆芯圍筒組件和燃料組件等。

(2) 因整體水力模擬試驗不考慮旁通流量，所以不設置有關旁通結構，如頂蓋冷卻管、吊籃筒體出口接管與反應堆壓力容器出口接管間隙、導向管旁流和堆芯圍筒組件旁流的結構。

(3) 若以實堆零部件表面粗糙度的模型比例來加工模型零部件，那么模型零部件的表面就要達到鏡面的要求，這是很難實現(xiàn)的，這將大大增加模型的制造難度和成本。在反應堆內(nèi)流體流動引起的形狀阻力(與π1有關)遠大于摩擦阻力(與π2有關)時，零部件表面粗糙度可以放松到實堆零部件表面粗糙度。

(4) 實堆的低合金鋼反應堆壓力容器與不銹鋼堆內(nèi)構件存在不同的熱膨脹系數(shù)，因此模型需要按實堆運行工況的結構尺寸來模擬流道，以減少對試驗的堆芯入口流量分配的均勻程度和反應堆內(nèi)部流體流動特性的影響。

4模型設計

反應堆整體水力模擬試驗件見圖1。模型流道嚴格按實堆進行精確模擬，使得堆芯支承下板的進出口流場與實堆一致。所有模型與實堆的差異都不應影響堆芯入口流量分配的均勻程度和反應堆內(nèi)部流體流動特性。

4.1 反應堆壓力容器設計

反應堆壓力容器為一個設計壓力為1.6 MPa、設計溫度為80 ℃的不銹鋼容器。反應堆壓力容器作為反應堆流體流動的邊界，其密封面下方的內(nèi)部結構尺寸嚴格按實堆1/6進行精確模擬。出于對安裝、間隙測量、潛在壓力容器下封頭導流圍板更換以及下腔室可視化試驗方面考慮，將反應堆壓力容器設計成三部分，分別為平頂蓋組件、筒身段組件和下封頭組件，通過帶有密封結構的法蘭進行螺栓連接。反應堆壓力容器進出口接管外側增加一段適度長度的直管段，使得進出口接管流場穩(wěn)定。

對突出于反應堆壓力容器內(nèi)壁并位于流道內(nèi)的安注接管和徑向支承鍵鑲塊，將模擬為局部流道阻塞。

反應堆壓力容器下封頭導流圍板支承塊模擬實堆結構和位置，并設置螺紋結構，便于導流圍板通過螺栓(實堆通過焊接)與反應堆壓力容器支承塊進行連接，便于試驗中導流圍板的更換。

4.2 下部堆內(nèi)構件設計

下部堆內(nèi)構件與流體接觸的尺寸(吊籃筒體內(nèi)外尺寸、二次支承結構外部尺寸、堆芯支承下板流水孔尺寸及堆芯圍筒內(nèi)腔尺寸)嚴格按實堆1/6進行精確模擬。對突出于吊籃筒體外壁的吊籃筒體出口接管、安注接管導流板、補強板、輻照監(jiān)督管支架及徑向支承鍵，將模擬為局部流道阻塞。

適當簡化突出于吊籃筒體外壁的安注接管導流板、輻照監(jiān)督管支架及徑向支承鍵；同時確保模擬各區(qū)域橫截面的流水面積。

將全焊接結構件的堆芯圍筒簡化為四塊板的螺栓連接件，其內(nèi)腔尺寸嚴格按實堆1/6進行精確模擬，降低制造難度和成本。

整體水力模擬試驗不考慮旁通流量，故取消了吊籃筒體出口接管與反應堆壓力容器出口接管間隙和堆芯圍筒組件旁流的結構。

下部堆內(nèi)構件與反應堆壓力容器之間的間隙按實堆1/6進行精確模擬，但為了便于下部堆內(nèi)構件的安裝，對安注接管導流板與安注接管的間隙進行了適當放松，不影響試驗結果。

4.3 上部堆內(nèi)構件設計

堆芯上板結構尺寸按實堆1/6進行精確模擬。上部堆內(nèi)構件位于反應堆流體的下游，故其結構對整體水力模擬試驗結果影響較小。在保證模擬導向筒組件外形尺寸和內(nèi)部流水面積的前提下，同時考慮測點引線的布置，對導向筒內(nèi)部結構進行簡化，便于制造測點引線和降低成本。

上部堆內(nèi)構件通過定位銷實現(xiàn)與下部堆內(nèi)構件和反應堆壓力容器的定位。

上部堆內(nèi)構件與下部堆內(nèi)構件通過螺栓與反應堆壓力容器實現(xiàn)壓緊，取消實堆中的壓緊彈性環(huán)，減少因壓緊彈性環(huán)帶來的制造困難和成本。

4.4 燃料組件設計

燃料組件結構復雜，通過外形尺寸模擬實堆，在確保模擬其整體水力特性的前提下，對其結構進行簡化。采用開式燃料組件模擬體，對每組模擬體進行性能試驗標定，確保模擬體的整體水力特性與實堆相似。

5結語

通過上述比例模型相似關系和試驗件結構設計介紹表明：

(1) CAP1400反應堆整體水力模擬試驗件設計是遵循比例模型相似準則的，模型上測得的試驗數(shù)據(jù)可以換算到實堆參數(shù)。

(2) 試驗件設計在滿足基本尺寸幾何相似的情況下，綜合考慮制造難度、裝配工藝及測點引線等因素，對試驗件進行了必要的簡化，從而大大降低了模型的制造難度和成本。

(3) 本試驗件設計可為其他堆型反應堆整體水力模擬試驗件設計提供參考。

致謝：感謝CAP1400反應堆結構水力模擬試驗研究團隊各位同事的指導幫助，在此向他們表示衷心的感謝。

參考文獻：

[1] 孫漢虹. 第三代核電技術AP1000[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[2] 景思睿，張鳴遠. 流體力學[M]. 西安：西安交通大學出版社，2001.

[3] 姚偉達，施國麟，姜南燕，等. 核電廠設備的流-固耦合動力學相似準則的推導和應用[J]. 振動和沖擊，1997，16(S1)：140-145.

[4] Bird R B，Stewart W E，Lightfoot E N，et al. Transport phenomena[J]. John Wiley and Sons，1960，28(2)：338-359.

Design of Hydraulic Simulation Test Models for CAP1400 Reactors

Ding Zonghua, Liu Bin, Lin Shaoxuan, Zhang Ming

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Abstract：As a test facility, the hydraulic simulation test model was designed for CAP1400 reactors to verify the core inlet flow distribution and to obtain the hydraulic information (pressure drop and velocity) from the inlet piping to the outlet piping, to which a detail introduction was made with focus on the model scale, model similarity criterion, model design principles and main model features, which may serve as a reference for design of similar test models.

Keywords：reactor; hydraulic simulation; test model; similarity criterion

收稿日期：2015-11-03

基金項目：國家科技重大專項課題(2010ZX06002-006)

作者簡介：丁宗華(1981—)，男，高級工程師，主要從事反應堆設備設計與研究工作。E-mail: dingzonghua@snerdi.com.cn

中圖分類號：TL375.5

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0153-03