豐收， 王福鵬， 孫汝雷， 岳芷廷， 田瑞峰， 高璞珍

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院， 北京 102413)

隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以核能、光伏等為代表的新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)受到越來(lái)越多的關(guān)注?！把帻垺?DHR-400反應(yīng)堆是中核集團(tuán)設(shè)計(jì)的一種深水池式低溫供熱反應(yīng)堆，反應(yīng)堆采用了大量的非能動(dòng)設(shè)計(jì)，其中自然循環(huán)瓣閥是安裝在堆芯外層用于事故時(shí)形成“堆芯—水池”自然循環(huán)流動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備。因此其性能的優(yōu)劣直接決定了反應(yīng)堆能否安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

我國(guó)于 1980 年開(kāi)始進(jìn)行核能供暖技術(shù)的研究[1]，目前已經(jīng)完成了多型核能供暖堆的設(shè)計(jì)工作，部分堆型進(jìn)行了建造且完成了試運(yùn)行工作。張亞軍等[2]介紹了2×200 MW低溫核供熱產(chǎn)業(yè)化示范工程的概況、研究進(jìn)展，總結(jié)了核供熱堆的主要技術(shù)特點(diǎn)，并給出社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析和應(yīng)用前景展望。郝文濤等[3]對(duì)“NHR200-Ⅱ”型低溫供熱堆進(jìn)行了介紹，闡述了核能供暖項(xiàng)目的安全性、先進(jìn)性和可行性?？聡?guó)土等[4]從“燕龍”自身技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，開(kāi)展方案設(shè)計(jì)優(yōu)化、采用完全非能動(dòng)余熱導(dǎo)出技術(shù)、制定適用于“燕龍”的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證策劃。岳芷廷等[5]檢驗(yàn)了DHR-200池式低溫供熱堆自然循環(huán)瓣閥在全廠斷電疊加緊急停堆系統(tǒng)事故(SBO-ATWS)的安全性，驗(yàn)證了DHR-200池式堆的固有安全性。Jaakko Lepp?nen[6]以低碳政策的推行為切入點(diǎn)，總結(jié)并介紹了多國(guó)核能供暖反應(yīng)堆的研發(fā)歷史和技術(shù)特點(diǎn)。Gransell等[7]介紹了由芬蘭和瑞典聯(lián)合開(kāi)發(fā)的SECURE反應(yīng)堆的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)其非能動(dòng)安全系統(tǒng)的作用機(jī)制進(jìn)行了分析。Ville Tulkki 等[8]介紹了一種可以進(jìn)行區(qū)域供熱和工業(yè)供汽的小型模塊化反應(yīng)堆。Zhang Yixuan等[9]總結(jié)了低溫池式供熱堆的發(fā)展背景，介紹了核供熱技術(shù)、安全性和經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)研究。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前對(duì)定常問(wèn)題的解決已經(jīng)非常成熟，但是關(guān)于某些非定常問(wèn)題的處理依舊面臨著諸多挑戰(zhàn)。重疊網(wǎng)格便是一種與傳統(tǒng)動(dòng)網(wǎng)格不同的網(wǎng)格處理方式，是由Steger等[10]提出，其基本思想是將計(jì)算網(wǎng)格分成了背景網(wǎng)格和若干個(gè)部件網(wǎng)格。多套網(wǎng)格之間相互獨(dú)立，彼此的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不對(duì)網(wǎng)格本身造成影響，從而允許計(jì)算模型可以有相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。在每一時(shí)間步內(nèi)通過(guò)重疊區(qū)域的相互插值進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，從而完成整個(gè)流場(chǎng)的計(jì)算。Robert等[11]為重疊網(wǎng)格的使用者提供了一個(gè)集成幾何模型前處理、表面網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格生成的用戶操作平臺(tái)，不僅提高了重疊網(wǎng)格的生成效率，而且能夠極大的提高復(fù)雜物體的貼體網(wǎng)格的生成效率。Wang[12]提出了一種更為簡(jiǎn)單有效的自動(dòng)挖洞方法，此方法在洞邊界節(jié)點(diǎn)處采用 ADT 技術(shù)大大地提高了網(wǎng)格裝配效率。在國(guó)內(nèi)，龐宇飛等[13]提出了一種交點(diǎn)判別法進(jìn)行挖洞的網(wǎng)格搜索，并且通過(guò)翼身組合體的例子進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)前人的不懈努力，重疊網(wǎng)格技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，目前已有利用重疊網(wǎng)格進(jìn)行潛艇水下航行、汽車行駛過(guò)程流場(chǎng)分析、物體自由落體運(yùn)動(dòng)等多類具有大尺度位移的非定常運(yùn)動(dòng)問(wèn)題中。

目前，有關(guān)自然循環(huán)瓣閥的熱工水力學(xué)研究還鮮見(jiàn)報(bào)道，因此本文提出一種基于重疊網(wǎng)格理論的池式低溫供熱堆自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟行為分流域耦合的仿真方法。利用該方法分別建立了自然循環(huán)瓣閥和反應(yīng)堆及堆水池的的三維重疊網(wǎng)格模型。本文采用該方法模擬了自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)啟行為，獲得了開(kāi)啟過(guò)程的速度場(chǎng)、質(zhì)量流量等流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

在建立的數(shù)值水池和堆芯中進(jìn)行自然循環(huán)瓣閥旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟的模擬過(guò)程中，控制方程由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程(N-S)組成。

假定流體不可壓縮，對(duì)事故初期自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)啟過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，需要滿足以下控制方程：

連續(xù)性方程為：

(1)

動(dòng)量方程為：

(2)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；ui、uj(i，j=1，2，3)為X、Y、Z方向的速度矢量，m/s；gi為重力加速度分量，m/s2；μ為粘性系數(shù)，Pa·s。

重疊網(wǎng)格分為貢獻(xiàn)單元和差值點(diǎn)，依靠二者的相對(duì)位置，可以求得貢獻(xiàn)點(diǎn)與待差值點(diǎn)間的插值系數(shù)。根據(jù)這些插值系數(shù)，我們可以得到被插值點(diǎn)的任意變量值。

(3)

式中：ξi、ηi、ζi為插值系數(shù)；φi為貢獻(xiàn)點(diǎn)上的變量值。

2 計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

由于DHR-400反應(yīng)堆是雙軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，整個(gè)反應(yīng)堆包含4條完全相同的一回路。為了在完整模擬事故初期自然循環(huán)瓣閥附近的流場(chǎng)變化的同時(shí)減小計(jì)算網(wǎng)格量的大小，本文的計(jì)算模型建立了1/3的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)原型，模型中包含了2條完整的一個(gè)回路，一個(gè)完整的自然循環(huán)瓣閥。堆芯及水池總高度3 m，堆芯半徑1.5 m，水池半徑5.0 m，堆芯及水池的圓心角120°，自然循環(huán)瓣閥閉合和完全開(kāi)啟時(shí)分別與豎直方向成±22.5°。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 反應(yīng)堆數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Reactor numerical calculation model

自然循環(huán)瓣閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，射流管線的射流沖擊會(huì)給自然循環(huán)瓣閥的閥瓣提供一個(gè)正壓力；堆芯內(nèi)冷卻劑的高流速會(huì)使得自然循環(huán)瓣閥堆芯側(cè)壓強(qiáng)低于水池側(cè)，形成一個(gè)向內(nèi)的壓力。在瓣閥自身重力及外力的耦合作用下，會(huì)使得自然循環(huán)瓣閥壓在閥座上，成閉合狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)堆一回路主泵失效時(shí)，射流管線關(guān)閉，主泵惰轉(zhuǎn)不足以維持一回路冷卻劑以額定流量流動(dòng)，因此在自然循環(huán)瓣閥處有向外流動(dòng)的趨勢(shì)，施加給閥瓣一個(gè)向外的推力。當(dāng)瓣閥內(nèi)外的壓差產(chǎn)生的推力和重錘的重力達(dá)到自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)啟力矩時(shí)，自然循環(huán)瓣閥打開(kāi)，形成“堆芯—水池”自然循環(huán)流動(dòng)通路。為了使加快計(jì)算速度，減少計(jì)算資源的浪費(fèi)，對(duì)自然循環(huán)瓣閥的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化:

1)刪減瓣閥支撐肋結(jié)構(gòu)。

自然循環(huán)瓣閥的支撐肋結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)計(jì)算過(guò)程中流場(chǎng)的影響甚微，刪減其對(duì)整體計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略。

2)簡(jiǎn)化自然循環(huán)瓣閥重錘結(jié)構(gòu)。

自然循環(huán)瓣閥的重錘結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)重疊網(wǎng)格區(qū)域的網(wǎng)格劃分及數(shù)據(jù)插值造成較大的麻煩，因此對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。建模過(guò)程中略去重錘結(jié)構(gòu)，重錘的作用通過(guò)UDF來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 自然循環(huán)瓣閥結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the structure of the natural circulation flap valve

經(jīng)過(guò)計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，在不影響計(jì)算精度的前提下，既加快了數(shù)值模型的整體計(jì)算速度，還獲得了貼近真實(shí)情況的流場(chǎng)信息。

為了使重疊網(wǎng)格部分擁有更好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得計(jì)算更加準(zhǔn)確、收斂性更快，在自然循環(huán)瓣閥轉(zhuǎn)動(dòng)路徑區(qū)域進(jìn)行影響主體(body of influence，BOI)加密，加密區(qū)域切面如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)路徑加密區(qū)域切面Fig.3 Rotation path encrypts area slice plots

將計(jì)算模型導(dǎo)入后，建立流場(chǎng)計(jì)算域。由于自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格發(fā)生較大的畸變，故采用重疊網(wǎng)格的方式進(jìn)行計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分。從反應(yīng)堆運(yùn)行安全的角度出發(fā)，考慮工程實(shí)際中自然循環(huán)瓣閥的加工誤差、間隙裝配及機(jī)械振動(dòng)，遂將自然循環(huán)瓣閥模型的閥瓣半徑設(shè)置成略小于自然循環(huán)瓣閥流道的半徑(徑向方向上有5 mm的間隙)。由于重疊網(wǎng)格方法不能處理固體域，所以采用“包覆-掏空”方法對(duì)自然循環(huán)瓣閥進(jìn)行模型的處理，在自然循環(huán)瓣閥表面包覆一層5 mm厚的流體域，瓣閥的實(shí)體部分掏空處理，自然循環(huán)瓣閥流道的固體壁掏空處理。將自然循環(huán)瓣閥流體域定義為部件網(wǎng)格，其余部分定義為背景網(wǎng)格，且為了保證計(jì)算的精度及部件網(wǎng)格的瞬時(shí)更新，整個(gè)計(jì)算域采用六面體核心網(wǎng)格進(jìn)行劃分。瓣閥的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 自然循環(huán)瓣閥網(wǎng)格Fig.4 Natural circulation flap valve grid

在運(yùn)動(dòng)及網(wǎng)格的處理上，采用區(qū)域運(yùn)動(dòng)的方式，當(dāng)自然循環(huán)瓣閥在內(nèi)外壓差的作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，自然循環(huán)瓣閥與表面流體域網(wǎng)格一起轉(zhuǎn)動(dòng)而不發(fā)生相對(duì)位移，通過(guò)部件網(wǎng)格和背景網(wǎng)格在不同相對(duì)位置處的重合區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，改變流場(chǎng)參數(shù)在計(jì)算網(wǎng)格中的分布，從而插值獲得自然循環(huán)瓣閥發(fā)生位移后的流場(chǎng)參數(shù)與網(wǎng)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。

整個(gè)計(jì)算域由部件重疊域及背景流場(chǎng)域組成，為了更精細(xì)地捕捉自然循環(huán)瓣閥附近流動(dòng)的物理特性，自然循環(huán)瓣閥流道表面第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的無(wú)因次長(zhǎng)度y+控制在45左右，網(wǎng)格總數(shù)為810萬(wàn)左右。裝配后計(jì)算模型切面網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 裝配后的計(jì)算模型切面網(wǎng)格Fig.5 Calculated model slice mesh after assembly

2.2 邊界條件

計(jì)算采用隱式有限體積法離散動(dòng)量方程，利用耦合求解器在時(shí)域中求解，計(jì)及重力影響并采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作為參考?jí)毫M(jìn)行初始化。對(duì)于此計(jì)算模型關(guān)注的重點(diǎn)為自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟過(guò)程中堆芯內(nèi)外流場(chǎng)的變化，對(duì)邊界層附近的流場(chǎng)變化關(guān)注度不高，且堆芯內(nèi)冷卻劑的流速很高，故使用高Re湍流模型k-epsilon進(jìn)行計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)模式以提高精度。

2.3 計(jì)算過(guò)程

在相關(guān)參數(shù)及邊界條件設(shè)置完畢后，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況的初始化和計(jì)算，為計(jì)算域提供一個(gè)初始的計(jì)算數(shù)值場(chǎng)。在穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算收斂后，改為瞬態(tài)計(jì)算，同時(shí)為瓣閥計(jì)算域設(shè)置壓差敏感開(kāi)啟的UDF，使用Couple方法進(jìn)行計(jì)算，瞬態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)采用0.005 s。計(jì)算過(guò)程如圖6所示。

圖6 重疊網(wǎng)格計(jì)算流程Fig.6 Overlay grid computing flowchart

2.4 網(wǎng)格敏感性分析

為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)計(jì)算模型的網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。在保證自然循環(huán)瓣閥流道表面第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的無(wú)因次長(zhǎng)度y+控制在45不變的情況下，主要考慮自然循環(huán)瓣閥部件網(wǎng)格和背景網(wǎng)格的重疊區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

如圖7所示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，自然循環(huán)瓣閥流出的質(zhì)量流量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。網(wǎng)格數(shù)量從619萬(wàn)增加到810萬(wàn)時(shí)自然循環(huán)瓣閥的質(zhì)量流量增加15%左右。網(wǎng)格數(shù)量從810萬(wàn)增加到1 050萬(wàn)時(shí)自然循環(huán)瓣閥的質(zhì)量流量只增加4%。在計(jì)算精度允許的前提下，考慮計(jì)算所需時(shí)間及所耗費(fèi)資源問(wèn)題，顧選取網(wǎng)格量為810萬(wàn)的網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7 網(wǎng)格敏感性分析Fig.7 Mesh sensitivity analysis

3 計(jì)算結(jié)果及分析

當(dāng)反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入反應(yīng)堆堆芯的冷卻劑被加熱后通過(guò)主泵將冷卻劑從一回路導(dǎo)出堆芯進(jìn)行后續(xù)的冷卻及循環(huán)。在事故發(fā)生時(shí)，主泵失效，一回路冷卻劑的流動(dòng)失去動(dòng)力源頭，導(dǎo)致堆芯內(nèi)的冷卻劑流量迅速降低。與此同時(shí)，關(guān)閉射流管線閥門。在瓣閥內(nèi)外壓力、瓣閥自身重力及自然循環(huán)瓣閥重錘重力的耦合作用下，自然循環(huán)瓣閥會(huì)打開(kāi)，形成堆芯和水池之間的自然循環(huán)冷卻回路。針對(duì)自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟的物理過(guò)程，以瓣閥標(biāo)準(zhǔn)安裝高度為例進(jìn)行分析。

3.1 自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟過(guò)程的速度場(chǎng)分析

在針對(duì)自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟過(guò)程的計(jì)算分析中，堆芯內(nèi)的速度分布直接反應(yīng)了堆芯內(nèi)部冷卻劑的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)自然循環(huán)瓣閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置位置有著重要的影響。

在計(jì)算模型的對(duì)稱面建立一個(gè)ZX平面，獲得此截面上速度場(chǎng)的瞬態(tài)變化分布圖。

為了模擬加工誤差、間隙裝配和機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)的自然循環(huán)瓣閥出現(xiàn)的漏流現(xiàn)象，在建模過(guò)程中自然循環(huán)瓣閥與流道徑向上存在一個(gè)5 mm的間隙。從速度云圖中可以看出，在自然循環(huán)瓣閥完全閉合時(shí)在瓣閥與流道之間一個(gè)漏流，漏流量為4 kg/h。此時(shí)漏流從瓣閥與流道之間的縫隙成射流狀噴出，射流方向是垂直于自然循環(huán)瓣閥流道向堆水池。如圖8是自然循環(huán)瓣閥閉合時(shí)流場(chǎng)的初始狀態(tài)。

圖8 自然循環(huán)瓣閥閉合時(shí)的速度場(chǎng)Fig.8 Velocity field when the natural circulation flap valve is closed

當(dāng)自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)度為22.5°時(shí)(圖9)，瓣閥與堆芯上部連接處流體速度較附近區(qū)域的流體速度大，且經(jīng)過(guò)此處的流體有一個(gè)向左下方流動(dòng)的狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)堆芯內(nèi)的部分流體在壓差的作用下向下方的自然循環(huán)瓣閥流動(dòng)，判定堆芯上部存在大角度回轉(zhuǎn)流或有旋渦存在。當(dāng)流體在自然循環(huán)瓣閥出口的位置時(shí)，由于瓣閥下部流動(dòng)阻力及堆芯水池壓力梯度的存在，使得自然循環(huán)瓣閥出口下部的流體有一段微小的向上流動(dòng)的趨勢(shì)。由于自然循環(huán)瓣閥及瓣閥流道的阻擋作用，使得此位置瓣閥外側(cè)出現(xiàn)一個(gè)繞流，繞流的外側(cè)速度最大。當(dāng)自然循環(huán)瓣閥完全打開(kāi)時(shí)(開(kāi)合角度45°)，如圖10，瓣閥的流量達(dá)到最大。

圖9 自然循環(huán)瓣閥旋轉(zhuǎn)22.5°時(shí)的速度場(chǎng)Fig.9 Velocity field at a natural circulation flap valve rotation of 22.5°

圖10 自然循環(huán)瓣閥旋轉(zhuǎn)45°時(shí)的速度場(chǎng)Fig.10 Velocity field when the natural circulation flap valve is rotated 45°

3.2 自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟過(guò)程的質(zhì)量流量變化

觀察自然循環(huán)瓣閥出口的質(zhì)量流量隨時(shí)間變化的云圖可以看出：當(dāng)自然循環(huán)瓣閥完全閉合時(shí)(圖11)，堆芯內(nèi)的流體將自然循環(huán)瓣閥通道分成2部分，小部分流體泄漏進(jìn)入水池內(nèi)，大部分流體從自然循環(huán)瓣閥流道的一側(cè)進(jìn)入，另一側(cè)流出。隨著自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)啟(圖12～14)，從瓣閥流道流入堆芯的流體質(zhì)量流量逐漸減小，流入堆水池的質(zhì)量流量最大的位置逐漸移動(dòng)到流道中心，流道中心位置流體的質(zhì)量流量最大，周圍的質(zhì)量流量梯度變小。

圖11 瓣閥完全閉合時(shí)流道入口的質(zhì)量流量Fig.11 Mass flow of the runner inlet when the flap valve is fully closed

圖12 t=0.12 s時(shí)瓣閥流道入口的質(zhì)量流量Fig.12 Mass flow at t=0.12 s inlet of the flap valve runner

圖13 t=0.2 s時(shí)瓣閥流道入口的質(zhì)量流量Fig.13 Mass flow at t=0.2 s inlet of the flap valve runner

圖14 瓣閥完全開(kāi)啟時(shí)的時(shí)流道入口的質(zhì)量流量Fig.14 Mass flow at the runner inlet when the flap valve is fully opened

當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，主泵失效，自然循環(huán)瓣閥射流管線的流量為0。此時(shí)自然循環(huán)瓣閥在瓣閥內(nèi)外壓差、自然循環(huán)瓣閥重錘及瓣閥自身重力的耦合作用下獲得了旋轉(zhuǎn)角速度，瓣閥逐漸打開(kāi)。隨著瓣閥的開(kāi)啟，瓣閥流道的流量逐漸增加，從質(zhì)量流量云圖可以看出瓣閥流道內(nèi)的質(zhì)量流量逐漸增大，堆芯內(nèi)的部分冷卻劑從自然循環(huán)瓣閥處流出。

3.3 自然循環(huán)瓣閥的參數(shù)敏感性分析

為了探究自然循環(huán)瓣閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟行為造成的影響，本文針對(duì)自然循環(huán)瓣閥安裝在400、600、1 000、1 400 mm的高度上進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，獲得了自然循環(huán)瓣閥在開(kāi)啟過(guò)程中的速度場(chǎng)、自然循環(huán)瓣閥及一回路的流量變化。圖15所示為自然循環(huán)瓣閥的安裝高度距離上升筒頂部400、600、1 000、1 400 mm時(shí)自然循環(huán)瓣閥流道的質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線。從曲線的變化趨勢(shì)可以看出，不同安裝高度的自然循環(huán)瓣閥在事故初期時(shí)從自然循環(huán)瓣閥漏流的流量基本相同，約為4 kg/h。隨著自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)啟，安裝位置距離入口越近的自然循環(huán)瓣閥在同一時(shí)刻通過(guò)自然循環(huán)瓣閥流出的質(zhì)量流量越多。同一時(shí)間不同安裝高度的自然循環(huán)瓣閥質(zhì)量流量如表1所示。當(dāng)自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)啟時(shí)間為0.075 s時(shí)，不同安裝高度的自然循環(huán)瓣閥質(zhì)量流量基本相同；當(dāng)自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)啟時(shí)間為0.3 s時(shí)，此時(shí)自然循環(huán)瓣閥處于全開(kāi)的狀態(tài)，全開(kāi)的質(zhì)量流量分別為311.0、320.1、364.6、387.2 kg/h。

圖15 反應(yīng)堆一回路質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線Fig.15 Curves of mass flow in the first circuit of the reactor over time

表1 不同工況的自然循環(huán)瓣閥在同一時(shí)刻的質(zhì)量流量

如圖16為不同的自然循環(huán)瓣閥安裝高度工況下，自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟過(guò)程中堆芯一回路的質(zhì)量流量變化曲線。從質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線得出：4種自然循環(huán)瓣閥的安裝高度在事故時(shí)初期一回路的質(zhì)量流量變化趨勢(shì)及數(shù)值基本相同；不同安裝高度的自然循環(huán)瓣閥的開(kāi)啟時(shí)間均為0.3 s左右；在自然循環(huán)瓣閥打開(kāi)后的0.15～0.25 s內(nèi)，自然循環(huán)瓣閥的安裝高度對(duì)一回路的質(zhì)量流量影響開(kāi)始凸顯，安裝位置越高的自然循環(huán)瓣閥，其一回路的質(zhì)量流量越大，結(jié)合自然循環(huán)瓣閥流道的質(zhì)量流量變化可以看出，此時(shí)亦為自然循環(huán)瓣閥質(zhì)量流量變化最明顯的時(shí)間段。反應(yīng)堆堆芯入口的質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線如圖17所示。

圖16 自然循環(huán)瓣閥流道質(zhì)量流量隨時(shí)間的變換曲線Fig.16 Natural circulation flap valve mass flow curves over time

圖17 反應(yīng)堆堆型入口質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線Fig.17 Curves of reactor type inlet mass flow over time

從圖中可以看出自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟會(huì)使得反應(yīng)堆堆芯內(nèi)形成一條“堆芯-反應(yīng)堆水池”通路，使得反應(yīng)堆堆芯入口的質(zhì)量流量有一個(gè)上升的過(guò)程。其中H=400工況的自然循環(huán)瓣閥開(kāi)啟導(dǎo)致反應(yīng)堆入口質(zhì)量流量的變化最大，達(dá)到279.12 kg/h。

4 結(jié)論

1)當(dāng)自然循環(huán)瓣閥存在加工尺寸誤差、間隙裝配及機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致自然循環(huán)瓣閥出現(xiàn)漏流，漏流沿著瓣閥和流道的縫隙噴射進(jìn)入堆水池內(nèi)部，射流方向與自然循環(huán)瓣閥流道垂直；自然循環(huán)瓣閥處于閉合狀態(tài)閉合時(shí)，自然循環(huán)瓣閥流道空間在橫向上被分成2部分，堆芯內(nèi)的部分流體會(huì)從一側(cè)進(jìn)入，從另一側(cè)流出。

2)當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，自然循環(huán)瓣閥可以在瓣閥內(nèi)外壓力、重錘及瓣閥自身重力的耦合作用下非能動(dòng)地打開(kāi)，使得堆芯內(nèi)的一部分流體通過(guò)自然循環(huán)瓣閥流入堆水池。自然循環(huán)瓣閥的安裝位置在數(shù)值方向上越靠近入口處，自然循環(huán)瓣閥全開(kāi)的質(zhì)量流量越大。

3)經(jīng)過(guò)瓣閥與堆芯連接處位置的流體有一個(gè)向下流動(dòng)的狀態(tài)，判斷在堆芯內(nèi)部高于自然循環(huán)瓣閥位置的內(nèi)部空間內(nèi)存在旋渦或大角度回旋流。