趙 男，匡 波，劉鵬飛，王 凡

(上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

發(fā)電技術(shù)

流道因素對熔融物堆內(nèi)滯留壓力容器下封頭外的冷卻能力影響試驗(yàn)研究

趙 男，匡 波，劉鵬飛，王 凡

(上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

流道因素是熔融物堆內(nèi)滯留壓力容器下封頭外的冷卻(IVR-ERVC)能力的關(guān)鍵影響因素之一。在全高度非能動ERVC試驗(yàn)裝置REPEC-II上，針對各種流線型流道的幾何條件，研究不同流道形狀、流道進(jìn)出口阻力變化以及流道障礙物等因素對臨界熱通量(CHF)的敏感性影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：下封頭外壁面CHF隨外壁面方位角增大而增大，且其增大趨勢隨增大而減緩；ERVC流道間隙變窄對靠近入口處一定范圍內(nèi)的CHF具有一定的增強(qiáng)作用；對于出口附近區(qū)域而言，增加間隙寬度有助于增強(qiáng)CHF，但影響十分有限；在一定范圍內(nèi)，ERVC流道進(jìn)出口阻力增大將使得高角度區(qū)域CHF略有降低，而且達(dá)到CHF時對應(yīng)的循環(huán)流量隨進(jìn)出口阻力增加而降低，出口阻力的影響更顯著；在ERVC流道中加裝向加熱面凸起的障礙物，可增大當(dāng)?shù)谻HF，但該效應(yīng)是局部的，這一措施會導(dǎo)致附近區(qū)域CHF降低。

流道幾何形狀；進(jìn)出口阻力；流道障礙物

在核電廠堆芯發(fā)生嚴(yán)重事故時，可通過堆腔注水對壓力容器下封頭進(jìn)行外部冷卻(External Reactor Vessel Cooling，簡稱ERVC)，以期在嚴(yán)重事故晚期有效地將下封頭內(nèi)熔融物熱量導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)熔融物堆內(nèi)滯留(In-Vessel Retention，簡稱IVR)。該方案作為目前常用的嚴(yán)重事故緩解措施之一，在大型先進(jìn)壓水堆中應(yīng)用的有效性得到了持續(xù)廣泛的關(guān)注。在熱負(fù)荷有效性方面，壓力容器下封頭外壁沸騰傳熱的限值即臨界熱通量CHF的量值及規(guī)律，是ERVC能力的關(guān)鍵。在影響臨界熱通量的諸多因素當(dāng)中，ERVC流道中各種宏觀幾何因素的影響是最為直接的?；诖?，核電廠在進(jìn)行ERVC流道保溫層幾何形狀設(shè)計(jì)時應(yīng)該充分考慮其對壓力容器下封頭外壁面CHF的影響。同時，熔融物重新定位于下封頭內(nèi)可能造成下封頭變形，導(dǎo)致ERVC流道發(fā)生變化，從而對下封頭外壁的CHF以及ERVC冷卻能力產(chǎn)生影響。

THEOFANOUS T G等[1-3]通過ULPU-III、IV、V一系列試驗(yàn)，探討了將外包圍ERVC流道的保溫層由“錐筒型”(相應(yīng)于AP600保溫層)改為“流線型”(相應(yīng)于AP1000保溫層)，為提高壓力容器下封頭外壁CHF帶來了益處，同時ULPU-IV一系列試驗(yàn)簡要探究了ERVC流道形狀對下封頭外壁CHF的影響，為后續(xù)試驗(yàn)探究提供方向。

文獻(xiàn)[4-6]從自然循環(huán)流動分析角度，試驗(yàn)或計(jì)算研究了APR1400的ERVC流道中各幾何條件(如Shear Key、底部貫穿件，以及進(jìn)出口局部阻力等)的影響規(guī)律。就局部幾何條件影響而言，文獻(xiàn)[7-8]則通過試驗(yàn)探究了采用ERVC傳熱表面局部開槽結(jié)構(gòu)(Hypervapotron)來提高當(dāng)?shù)谻HF的方案可行性。

本文在全高度自然循環(huán)ERVC工程驗(yàn)證試驗(yàn)裝置上，比較ERVC流道不同的整體與局部幾何條件下的下封頭外壁臨界熱通量的試驗(yàn)結(jié)果，并探討ERVC流道若干幾何因素對壓力容器下封頭表面CHF的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置與方案

本文的試驗(yàn)研究是在上海交通大學(xué)全高度非能動ERVC試驗(yàn)裝置REPEC-II上進(jìn)行的，該工程試驗(yàn)裝置是基于全高度自然循環(huán)流道的，重要橫向截面相對于原型采用1/100比例的一維試驗(yàn)裝置，關(guān)鍵流道與部件經(jīng)過?；O(shè)計(jì)與校核，能較真實(shí)地模擬CAP1400非能動ERVC流道中相關(guān)流動、傳熱過程及臨界熱通量CHF的分布規(guī)律。裝置采用大尺度的弧形加熱銅塊模擬壓力容器下封頭，通過控制加熱塊內(nèi)密布的分組加熱棒，可形成加熱銅塊特定形狀的熱流分布。REPEC-II試驗(yàn)段加熱面既可采用銅加熱面(一般來說，用銅加熱面進(jìn)行的CHF試驗(yàn)測量值相對于用壓力容器原型材料加熱面的結(jié)果要保守)，也可用原型材料(制造壓力容器的低合金鋼)加熱面。此外，組成ERVC流道的保溫塊形狀尺寸、出口組件開度等一系列幾何(及阻力)條件，在具體試驗(yàn)中也可根據(jù)需要進(jìn)行模擬與改變。REPEC-II裝置見圖1。

圖1 REPEC-II試驗(yàn)裝置示意圖

采用全銅加熱面試驗(yàn)段進(jìn)行的ERVC流道幾何因素對臨界熱通量影響的試驗(yàn)探究。應(yīng)該指出的是，在開展臨界熱通量試驗(yàn)時，需根據(jù)REPEC-II加熱面與實(shí)際加熱面之間的關(guān)系，采用適當(dāng)?shù)摹肮β收巍痹瓌t來確定試驗(yàn)段上加熱功率的分布，以期試驗(yàn)中在加熱面熱流分布上接近于原型條件[9]。主要研究了REPEC-II加熱面沿流道方向(0°～90°)內(nèi)的θ=27°～87°區(qū)段內(nèi)多個關(guān)鍵點(diǎn)處的CHF和相應(yīng)流量參數(shù)。

2 流道相關(guān)幾何條件對ERVC的影響試驗(yàn)研究

2.1 流道形狀與尺寸的敏感性試驗(yàn)

通過調(diào)節(jié)REPEC-II試驗(yàn)裝置弧形加熱面外的保溫塊模擬件形狀，可以改變試驗(yàn)段加熱面與保溫塊模擬件內(nèi)壁間的距離，使得ERVC流道的形狀與幾何尺寸發(fā)生變化。本文共選用了5種不同形狀與尺寸的流道(5種進(jìn)出口尺寸組合的流線型流道)進(jìn)行流道敏感性試驗(yàn)探究。這5種光滑的ERVC流道弧形區(qū)段均覆蓋用于模擬下封頭外壁試驗(yàn)加熱段0°～90°角度的范圍，各型流道以不同的進(jìn)口尺寸及出口尺寸(加熱壁與保溫塊之間的間距)組合來表示。

其中，分別用70-90型流道、90-90型流道、70-160型流道、90-160型流道，以及160-160型流道作為各型流道的代號。分別表示ERVC流道進(jìn)口起始寬度尺寸為70、90、70、90、160 mm，出口寬度尺寸分別為90、90、160、160、160 mm的光滑弧形流道。圖2出了5種流道示意圖。

圖2 5種流道示意圖

圖3給出了其中160-160型流道情況下弧形試驗(yàn)段加熱面各角度處的CHF實(shí)測值以及在達(dá)到CHF時對應(yīng)的循環(huán)流量W(m3/h)。從圖3中看出，在中低角度區(qū)域(大約)，加熱面上臨界熱通量CHF隨著角度增大而增加；在高角度區(qū)域(大約)，臨界熱通量CHF仍然隨著角度增大而略有提高，不過這一趨勢開始趨于平緩。

圖3 160-160流道各角度處CHF及對應(yīng)臨界時流量W_CHF

以160-160型流道實(shí)測的試驗(yàn)段加熱面各處臨界熱通量CHF的結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)，將相同熱力條件而不同流道幾何條件下所測得的對應(yīng)各角度加熱面上的CHF與之進(jìn)行對比。以各種流道中試驗(yàn)段對應(yīng)位置上CHF實(shí)測值與參考流道(160-160型流道)情形下各處CHF實(shí)測值之比(本文稱之為CHF變化因子)來表征流道幾何形狀及尺寸對臨界熱通量的影響。圖4給出了不同流道形狀下的試驗(yàn)加熱段上各處CHF變化因子的分布情況；圖5則給出了不同流道形狀下各角度處CHF與試驗(yàn)回路在出現(xiàn)CHF時的循環(huán)質(zhì)量流量WCHF(kg/s)之比。

圖4 不同流道形狀下各處CHF變化因子

由圖4可以看到，在其他4種稍狹窄一些的流道幾何形狀與尺寸下，臨界熱通量CHF會相較于參考的160-160型等截面流道的情形有一定變化(在圖4中以各處CHF變化因子表示)：在高角度區(qū)域，只要間距低于參考值(比如出口處參考值，即為160mm)，則CHF均有所降低，但降低得不多；而在中低角度區(qū)域，流道越窄，即間距越小于相應(yīng)參考值(比如入口處參考值為160 mm)，則流道內(nèi)對流效應(yīng)(流速)越強(qiáng)，相應(yīng)的CHF增加就越明顯，而且這種CHF增強(qiáng)的影響逐漸由流道入口向流道內(nèi)的方向“蔓延”，并逐漸“衰減”。

另外，就ERVC的輸熱能力來講，下封頭外壁各處的臨界熱通量CHF值大小是其輸熱能力的一個限值，qCHF(θ)越高，對ERVC系統(tǒng)排熱的限制越?。欢鴮?shí)施ERVC時，若壓力容器外壁某處達(dá)到CHF，則此時ERVC自然循環(huán)系統(tǒng)對應(yīng)的循環(huán)質(zhì)量流量W也一定程度上反映了系統(tǒng)的輸熱能力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在5種不同的試驗(yàn)流道幾何條件下，試驗(yàn)段各處加熱面上的臨界熱通量qCHF(θ)與達(dá)到臨界熱通量時的循環(huán)流量WCHF之間始終都是相互關(guān)聯(lián)，且呈現(xiàn)不同程度的正相關(guān)關(guān)系(以160-160型流道參數(shù)為例，如圖5所示)。以(q(θ)/W)CHF來表征和評價ERVC系統(tǒng)的極限輸熱能力是適當(dāng)?shù)?。在個流道幾何條件下，沿流道方向上，隨著θ增加，(q(θ)/W)CHF也逐漸增加。

圖5 不同流道形狀下各角度CHF與W_CHF之比

由圖5可見，在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，ERVC流道的幾何形狀與尺寸，特別是流道出口間隙尺寸，對(q(θ)/W)CHF有一定影響?？梢钥吹?，xx-90xx-160型流道(q(θ)/W)CHF分布有一個明顯的分野，其中xx-160型流道的(q(θ)/W)CHF整體上要低于xx-90型流道，說明弧形流道出口間隙尺寸大小對ERVC系統(tǒng)極限輸熱能力的影響相對較顯著，出口越大，越有利于提高單位循環(huán)流量下的臨界熱通量CHF。而相較于出口尺寸，進(jìn)口尺寸的影響則不太明顯。

2.2 ERVC流道進(jìn)出口開度和阻力的敏感性影響

對于ERVC流道來講，其進(jìn)出口組件對ERVC循環(huán)流動，甚至對下封頭臨界熱通量都可能有所影響。

REPEC-II試驗(yàn)裝置上有完全參照實(shí)際ERVC流道中進(jìn)出口組件的模擬件，進(jìn)口組件設(shè)計(jì)在入口水室與下水箱之間，出口組件設(shè)計(jì)在上升管與上水箱之間，通過進(jìn)出口組件的全部/部分開閉，對各種條件下流道進(jìn)出口幾何條件與局部阻力的模擬。

在90-160型流道中，進(jìn)行了進(jìn)出口開度與阻力影響的敏感性試驗(yàn)，相關(guān)的試驗(yàn)條件設(shè)置見表1。

表1 進(jìn)出口阻力影響試驗(yàn)設(shè)置

圖6與圖7給出了仍按與前面相同的熱力條件，分別采用50-100、100-50，以及100-100等3種進(jìn)出口阻力條件，在REPEC-II上進(jìn)行的流道進(jìn)出口開度與阻力影響敏感性試驗(yàn)的部分試驗(yàn)測量結(jié)果。圖6給出的是試驗(yàn)段加熱面上CHF的變化，圖7則給出了各處達(dá)到CHF時的循環(huán)質(zhì)量流量WCHF。

圖6 不同進(jìn)出口開度流道中各處CHF變化因子(相對于90-160型流道，進(jìn)出口全開工況)

圖7 不同進(jìn)出口開度流道中各角度臨界時循環(huán)流量WCHF

結(jié)果表明，部分關(guān)閉進(jìn)口組件或出口組件，阻力的增加將導(dǎo)致試驗(yàn)段各處臨界熱通量qCHF及與之對應(yīng)的循環(huán)質(zhì)量流量WCHF，均低于進(jìn)出口組件全開時的CHF，及對應(yīng)的循環(huán)流量；但進(jìn)出口阻力變化對CHF量值的影響較小，而且出口處部分組件造成關(guān)閉局部阻力增大，對WCHF降低的影響要大于由進(jìn)口處部分組件關(guān)閉帶來的降低。

2.3 流道局部加裝凸起障礙物影響

考慮到流道中加裝向加熱面凸起的局部障礙物(如圖8所示)，會對局部流道形狀產(chǎn)生顯著影響，將導(dǎo)致通道中的循環(huán)流體局部的擾動與摻混，進(jìn)而影響壁面CHF。本文的流道障礙物影響試驗(yàn)，是在90-160型流道的保溫塊模擬件內(nèi)壁上加裝了如圖8所示三角形障礙物，三角形障礙物尖端正對弧形流道方位角θ=81°處。在與前述相同的熱力條件下，進(jìn)行了CHF試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖9。圖10則給出了加裝流道障礙物后流道不同角度處的臨界循環(huán)流量WCHF。

圖8 流道障礙物設(shè)置示意圖

圖9 流道各角度CHF變化因子(相對于90-160型流道，未設(shè)置障礙物)

圖10 不同角度處臨界循環(huán)流量WCHF

從圖9中可以看出流道障礙物對CHF影響主要體現(xiàn)在局部位置：設(shè)置流道障礙物增大了流道阻力，使臨界時循環(huán)質(zhì)量流量降低，從而導(dǎo)致流道障礙物周邊區(qū)域CHF略有下降；流道障礙物加強(qiáng)了當(dāng)?shù)貎上噙吔鐚拥臄嚮?，將兩相流邊界層外的“過冷水”導(dǎo)入兩相邊界層內(nèi)產(chǎn)生攪混，從而導(dǎo)致局部流體過冷度擴(kuò)大，使得的CHF有所強(qiáng)化。同時，該局部位置之外的CHF則變化甚微。

需要指出，流道障礙物的影響主要體現(xiàn)在局部，由于流道障礙物在流道中突起導(dǎo)致流通面積突變，從而引導(dǎo)兩相邊界層外的過冷水至兩相邊界層內(nèi)，使得過冷水與兩相邊界層摻混，增加了當(dāng)?shù)亟诿嫣幍倪^冷度，因此當(dāng)?shù)谻HF增加。而由流道障礙物“引導(dǎo)-摻混”作用引起的CHF提高的效益在沿流道的其他位置迅速衰減，CHF甚至略有減小。這一現(xiàn)象為實(shí)際應(yīng)用中提高下封頭外壁某些高角度處臨界熱通量的裕量，提供了一個可實(shí)際應(yīng)用的針對CHF的局部換熱強(qiáng)化方案。

3 結(jié)語

(1)通過在全高度REPEC-II試驗(yàn)裝置上進(jìn)行的下封頭外壁臨界熱通量試驗(yàn)，驗(yàn)證了下封頭外壁沿方位角度從低到高，臨界熱通量隨角度增大且逐漸趨緩的分布趨勢。

(2)通過進(jìn)一步地試驗(yàn)了解到，在ERVC流道各種影響因素中，流道形狀與尺寸對下封頭外壁各處CHF有一定影響；在一定尺寸范圍內(nèi)，弧形ERVC流道出口間隙越小，在流道高角度區(qū)域CHF將略有降低；而入口間隙越小，在流道中低角度區(qū)域，對入口區(qū)域的CHF有一定提高作用。

(3)進(jìn)出口阻力增大均會導(dǎo)致加熱面各處發(fā)生CHF時相應(yīng)的循環(huán)流量降低，且出口阻力增大相對于入口阻力增大的影響要大一些；進(jìn)出口阻力的增大，將使流道高角度區(qū)域CHF有一定減小，但影響較為有限。

(4)存在流道中的向加熱面凸起的障礙物，將會對當(dāng)?shù)谻HF的增大產(chǎn)生有利的影響，但其對CHF的提高作用僅是局部的，其周邊區(qū)域的CHF甚至略有減小。

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(本文編輯：趙艷粉)

Experimental Research on the Influence of Flow Channel Factors on IVR-ERVC Capability

ZHAO Nan, KUANG Bo, LIU Pengfei, WANG Fan

(School of Nuclear Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Flow channel configuration has been considered as one of the key factors that affect the cooling ability of IVR-ERVC. In this paper, a series of sensitivity tests have been carried out on the full height passive ERVC facility, REPEC-II, with various replaceable streamline flow channels, thereby to study the influences of such factors as channel geometry, local resistance of the ERVC channel inlet and exit, and protruding barrier installation etc. In conclusion, critical heat flux (CHF) limits the outer wall of lower head increase with the change of azimuth angle from 0° to 90°, and the increasing trend slows down in the upper region (high azimuth angle region). As for the impact of narrowing the channel gap from the present design to a certain range, it is found that this, to an extent, helps enhance CHF within a distance to the inlet, while in the upper region the CHF enhanced effect seems rather limited. Meanwhile, it is observed that CHF in the upper region is slightly lowered when the flow resistance is made higher for both the inlet and exit, and thereby the corresponding circulation flow rate also drops. Influence of local flow resistance on CHF and circulation flow rate is found more obvious for the exit. In addition, installation of the pointed protruding barrier on the thermal insulation baffle may lead to the enhancement of local CHF due to its "guiding-mixing" effect. However, CHF near the enhancing region is observed somewhat lower.

flow channel geometric configuration; flow resistance of inlet and exit; protruding barrier

10.11973/dlyny201703020

趙 男(1994—)，男，碩士研究生，從事核能工程技術(shù)研究。

TK172

A

2095-1256(2017)03-0310-06

2017-03-18