王予燁，馮預(yù)恒，周志偉

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

示范快堆堆容器整體置于鋼筋混凝土澆筑的堆坑中，堆坑是反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)最外層熱邊界。由于鈉冷快堆堆內(nèi)溫度很高，為減少堆內(nèi)熱量損失，堆容器及堆頂貫穿件外部有保溫層覆蓋，但上述設(shè)備向堆坑的散熱量仍較大。為保證堆坑混凝土溫度不超過70 ℃的限值[1]，設(shè)置有堆坑通風(fēng)系統(tǒng)對堆坑內(nèi)設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫循環(huán)冷卻。另外，保溫層是主容器、主泵支承和熱交換器支承等大型貫穿件的熱邊界，通風(fēng)系統(tǒng)也應(yīng)盡量使保溫層溫度分布更為均勻，減少上述設(shè)備因不均勻溫度場產(chǎn)生的熱應(yīng)變。

對于堆坑內(nèi)部溫度場數(shù)值研究已有很多。馬崇揚(yáng)等[2-3]對中國實(shí)驗(yàn)快堆堆坑在喪失外電源事故下的溫度分布進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，并以中國實(shí)驗(yàn)快堆堆坑為原型，采用有限容積法對具有導(dǎo)熱的豎環(huán)形封閉腔內(nèi)自然對流進(jìn)行了二維層流穩(wěn)態(tài)數(shù)值研究。喬雪冬等[4]對全廠斷電事故工況下，中國實(shí)驗(yàn)快堆堆容器溫度場及散熱進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。李朝君[5]利用CFD軟件計(jì)算了中國實(shí)驗(yàn)快堆堆容器溫度場。Zmindak等[6]對核反應(yīng)堆外部的堆坑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱力耦合瞬態(tài)分析。Hung等[7]以SAFR為設(shè)計(jì)參考，對反應(yīng)堆非能動(dòng)空冷系統(tǒng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。以示范快堆堆坑為對象的三維數(shù)值研究尚不全面。

為檢驗(yàn)示范快堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)布置的合理性，探尋優(yōu)化方向，并得到堆坑內(nèi)部詳細(xì)的流場及溫度場，為一回路系統(tǒng)熱工計(jì)算提供邊界條件，本文使用CFD軟件對正常運(yùn)行工況下的示范快堆堆坑進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。

1 堆坑結(jié)構(gòu)及通風(fēng)系統(tǒng)

堆坑整體呈圓柱狀，頂部由堆頂固定屏蔽密封，固定屏蔽下方是堆容器錐頂蓋，錐頂蓋上有27個(gè)大小不一的貫穿件伸入固定屏蔽，堆容器主體部分是主容器和保護(hù)容器組成的雙層結(jié)構(gòu)，堆容器及貫穿件外部由保溫層覆蓋，堆容器及堆內(nèi)構(gòu)件重量由下支承裙座傳遞給堆坑支承基礎(chǔ)。堆坑空氣流域高為19 895 mm，混凝土內(nèi)壁半徑為8 710 mm，堆容器保溫層外壁半徑為8 010 mm。堆坑結(jié)構(gòu)如圖1所示。

堆坑通風(fēng)系統(tǒng)流程如圖2所示。冷卻空氣進(jìn)口分為3類：第1類為堆坑下部進(jìn)口，共10個(gè)，半徑為198 mm，在堆坑混凝土內(nèi)壁下部鄰近下裙座位置沿周向排布；第2類為下裙座，進(jìn)口1個(gè)、出口5個(gè)，與堆坑直筒段流域連通，進(jìn)、出口半徑皆為300 mm；第3類為堆頂固定屏蔽進(jìn)口，共27個(gè)，冷卻完堆頂固定屏蔽內(nèi)部的空氣沿固定屏蔽與貫穿件間的環(huán)隙進(jìn)入堆坑。冷卻空氣對堆坑內(nèi)設(shè)備進(jìn)行冷卻后，由堆坑10個(gè)出風(fēng)口排出，出風(fēng)口在堆坑混凝土內(nèi)壁上部鄰近錐頂蓋位置沿周向排布，半徑為274 mm。

圖1 堆坑結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of reactor pit

圖2 堆坑通風(fēng)系統(tǒng)流程Fig.2 Flow of reactor pit ventilation system

2 計(jì)算模型

堆坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺度變化大，錐頂蓋區(qū)域進(jìn)風(fēng)口較多，排布密集，為模擬錐頂蓋區(qū)域真實(shí)的進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，減少進(jìn)口間的相互影響，保留了貫穿件與固定屏蔽豎直的環(huán)隙流道，建立了與示范快堆堆坑及保溫層外壁尺寸1∶1的計(jì)算模型。

2.1 計(jì)算邊界條件

固定屏蔽中的冷卻空氣由貫穿件頂端的環(huán)狀進(jìn)口進(jìn)入堆坑，計(jì)算模型如圖3所示，進(jìn)口邊界取值列于表1。

圖3 計(jì)算模型Fig.3 Computational model

進(jìn)口類型進(jìn)風(fēng)量/(m3·h-1)進(jìn)風(fēng)溫度/℃堆坑下部進(jìn)口1 73018下裙座進(jìn)口5 00018支承徑進(jìn)口14 10655提升機(jī)進(jìn)口68055換料機(jī)進(jìn)口39055IHX進(jìn)口4 48055電離室進(jìn)口15055液位計(jì)、溫度計(jì)進(jìn)口22055主泵進(jìn)口92055DHX進(jìn)口1 29055充排鈉管進(jìn)口12055

由于堆內(nèi)溫度分布復(fù)雜，堆容器不同部件工作環(huán)境溫度差異較大，計(jì)算時(shí)為體現(xiàn)不同貫穿件間的溫差，取其各自內(nèi)壁的平均溫度作為計(jì)算輸入，錐頂蓋壁面分類如圖4所示，平均溫度取值列于表2。主容器內(nèi)壁溫度取其正常運(yùn)行工況下的最高溫度380 ℃，保證計(jì)算的保守性。

2.2 網(wǎng)格模型及計(jì)算方法

本文采用Hypermesh軟件對流體域邊界進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，并對冷卻空氣進(jìn)出口、堆頂貫穿件外壁等流動(dòng)換熱較劇烈位置的網(wǎng)格進(jìn)行加密。將面網(wǎng)格導(dǎo)入CFD軟件Fluent的meshing模塊生成了對復(fù)雜幾何適應(yīng)性好的多面體網(wǎng)格。

1——DHX支承內(nèi)壁；2——IHX支承內(nèi)壁；3——支承徑內(nèi)壁；4——電離室內(nèi)壁；5——換料機(jī)內(nèi)壁；6——提升機(jī)內(nèi)壁；7——溫度計(jì)、液位計(jì)內(nèi)壁；8——主泵支承內(nèi)壁；9——錐頂蓋內(nèi)壁；10——充排鈉管內(nèi)壁圖4 錐頂蓋壁面分類Fig.4 Classification of conical top cover wall

壁面編號平均溫度/℃13512309312141625100610071838300934710215

網(wǎng)格敏感性分析及網(wǎng)格模型如圖5所示。由圖5a可見，網(wǎng)格數(shù)從400多萬變化到900多萬時(shí)，空氣出口流量、出口平均溫度和混凝土內(nèi)壁平均溫度基本沒有變化，因此本工作選擇的網(wǎng)格數(shù)為700萬，最大單元扭曲率為0.7。網(wǎng)格模型及局部加密如圖5b所示。

使用Fluent軟件做數(shù)值計(jì)算，流體介質(zhì)為空氣，設(shè)置為理想氣體，參照文獻(xiàn)[8-11]中計(jì)算參數(shù)設(shè)定，采用RNGk-ε湍流模型，選取Enhanced wall treatment壁面函數(shù)處理近壁面流動(dòng)[12]，壓力速度耦合選用SIMPLE方法，對流插值格式設(shè)定二階迎風(fēng)格式，空氣出口為壓力出口，指定為靜壓(gauge)。為使計(jì)算更為貼近實(shí)際，在豎直方向上加入重力，輻射換熱模型選取DO模型。

圖5 網(wǎng)格敏感性分析(a)及網(wǎng)格模型(b)Fig.5 Analysis of mesh sensibility (a) and mesh model (b)

a——圓柱截面；b——空氣速度矢量圖；c——修改標(biāo)尺云圖；d——空氣溫度分布；e——匯集線下部溫度分布圖6 堆坑豎直流域流場及溫度場分布Fig.6 Distribution of flow field and temperature field in vertical flow region of reactor pit

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 堆坑豎直流域流場及溫度場

為探究堆坑流域整體特征，選取圖6a所示的混凝土內(nèi)壁與堆容器間的圓柱截面，繪制了截面上的流場與溫度場。由圖6b可看出，整體流域可分為3個(gè)區(qū)域：1區(qū)為錐頂蓋流域，由于冷卻空氣出口位于此區(qū)域，堆坑上下進(jìn)口的空氣向此區(qū)域匯集，互相攪混后流動(dòng)向出口偏移；2區(qū)為直筒段流域，由下部進(jìn)口進(jìn)入的空氣在此區(qū)域內(nèi)的流向均勻，豎直向上流向出口；3區(qū)為下進(jìn)口流域，堆坑下部進(jìn)口空氣與下支承裙座5個(gè)出口流出的空氣在此區(qū)攪混，空氣沿進(jìn)出口向四周散開。圖6c為修改速度標(biāo)尺后的云圖，可明顯看到周向流速的差異，受出口低壓影響，出口下方帶狀區(qū)流速稍高。

截面上的空氣溫度分布如圖6d所示，圖中上下進(jìn)口空氣匯集線兩側(cè)溫差明顯，這是因?yàn)樯喜抗潭ㄆ帘芜M(jìn)口空氣溫度已達(dá)到55 ℃，且上部存在較多高溫貫穿件，導(dǎo)致上部空氣溫度較高。圖6e為匯集線下部空氣溫度分布，由于下部進(jìn)口空氣上升過程中帶走堆容器釋熱，所以溫度逐漸升高。

3.2 空氣出口附近流場

堆坑內(nèi)空氣最終都由上部10個(gè)出口排出，因此空氣出口附近就是上下空氣匯集區(qū)。圖7示出出口位置與流場。圖7b為出口縱切面流場云圖，圖中箭頭1、2、3分別表示貫穿件進(jìn)口空氣、支承徑進(jìn)口空氣、堆坑下部進(jìn)口空氣流向。結(jié)合圖7a可知，由于出口在豎直方向上位置的影響，冷卻錐頂蓋區(qū)域空氣的主要來源為固定屏蔽進(jìn)口的高溫空氣，而堆坑下部進(jìn)口空氣參與較少，且錐頂蓋區(qū)域空氣流向近似于橫向流，這會(huì)使上下進(jìn)口空氣混合不均勻，導(dǎo)致上部空氣溫度較高，錐頂蓋冷卻效果減弱，所以出口高度位置有待優(yōu)化。

a——出口豎直方向位置；b——出口縱切面速度矢量圖7 出口位置與流場Fig.7 Outlet position and flow field

3.3 錐頂蓋區(qū)域流場及溫度場

a——錐形截面示意；b——截面速度分布；c——截面速度矢量圖圖8 錐頂蓋截面與流場Fig.8 Section and flow field of conical top cover

錐頂蓋截面及流場示于圖8，由圖8b、c可知，貫穿件兩側(cè)及間隙處的流速要大于周圍區(qū)域，且在大型貫穿件圍成的紅圈區(qū)域內(nèi)空氣流量明顯很少，且流向多變，這些區(qū)域的空氣流通不暢。原因是大尺寸的貫穿件阻礙空氣流動(dòng)，流量大多向阻力較小的間隙處分配。

上述流場勢必會(huì)影響溫度分布。圖9示出錐頂蓋保溫層溫度分布，圖中紅圈內(nèi)出現(xiàn)5個(gè)高溫區(qū)，這是由于受到圖7中流場影響，紅圈區(qū)域的空氣流通不暢，熱量不能被及時(shí)帶走，冷卻效果減弱。

圖9 錐頂蓋保溫層溫度場Fig.9 Temperature field of thermal insulation layer of conical top cover

主泵及熱交換器支承保溫層外壁溫度分布如圖10所示。DHX保溫層(圖10a)呈現(xiàn)了內(nèi)圈熱外圈涼的溫度分布，而IHX保溫層(圖10b)與主泵保溫層(圖10c)則為兩側(cè)肩部溫度高，此趨勢與圖9中的5個(gè)高溫區(qū)對應(yīng)，在空氣流通不暢的位置溫度較高。

a——DHX保溫層；b——IHX保溫層；c——主泵保溫層圖10 主泵及熱交換器保溫層的溫度場Fig.10 Temperature field of thermal insulation layer of main pump and heat exchanger

3.4 堆容器保溫層及混凝土內(nèi)壁溫度場

堆容器保溫層及混凝土內(nèi)壁溫度場如圖11所示，保溫層與混凝土溫度均是沿高度遞增，在錐頂蓋區(qū)域溫度升高明顯。保溫層最高溫度為122.9 ℃，混凝土最高溫度為50.7 ℃，均出現(xiàn)在上部堆坑出口附近。這是由于下部冷卻空氣上升過程中帶走堆容器的釋熱，溫度升高，導(dǎo)致了下部冷卻效果強(qiáng)于上部。而上部高溫區(qū)的出現(xiàn)主要是錐頂蓋區(qū)域的高溫空氣作用的結(jié)果。由圖11a可見保溫層周向也存在溫差，結(jié)合圖6b可知，這是直筒段空氣周向流速差異所導(dǎo)致的。

圖11 堆容器保溫層(a)及混凝土(b)的溫度場Fig.11 Temperature field of reactor vessel’s thermal insulation layer (a) and concrete (b)

3.5 下裙座區(qū)域流場及溫度場

下裙座區(qū)域的流場及溫度場如圖12所示，下裙座區(qū)域內(nèi)的流速分布很不均勻，這是因?yàn)橄氯棺鶠楦吡魉賳芜M(jìn)口，冷卻空氣沖入下裙座后，被球形的下封頭分流，進(jìn)口遠(yuǎn)側(cè)半邊的流速要高于近側(cè)。這種流速的不均勻性也造成了堆容器下封頭的溫度不均勻，高溫區(qū)出現(xiàn)在進(jìn)口冷卻空氣流動(dòng)方向兩側(cè)。

a——下裙座空氣進(jìn)口縱剖面速度云圖；b——下裙座空氣進(jìn)口橫切面速度云圖；c——下封頭保溫層外壁溫度分布圖12 下裙座區(qū)域的流場及溫度場Fig.12 Flow field and temperature field in lower skirt region

4 結(jié)論

本文使用CFD軟件對正常運(yùn)行工況下示范快堆堆坑流域進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論。

1) 計(jì)算得到堆坑內(nèi)空氣流場、溫度場以及保溫層外壁、混凝土內(nèi)壁的溫度分布情況，混凝土最高溫度為50.7 ℃，留有一定的安全裕度。

2) 堆坑空氣出口附近為上、下進(jìn)口空氣的匯集區(qū)，影響冷卻空氣的混合，目前錐頂蓋區(qū)域保溫層溫度分布很不均勻，建議將出口下移，以改變錐頂蓋區(qū)域空氣流向，改善此區(qū)域保溫層冷卻效果；直筒段空氣周向速度存在差異，建議調(diào)整堆坑上、下進(jìn)出口周向相對位置，使豎直流場分布更為均勻。

3) 下支承裙座內(nèi)流速差異較大，下封頭保溫層溫度分布不均勻，建議調(diào)整下裙座進(jìn)出口相對位置或個(gè)數(shù)，減小進(jìn)口流速，使流場更為均勻。

本文計(jì)算所得保溫層外壁溫度數(shù)據(jù)可作為主容器及貫穿件支承熱工計(jì)算外部邊界條件，堆坑內(nèi)流場與溫度場分布特征可為示范快堆堆坑優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。