反應堆流場分析的數值模擬

于浩+張明+張偉+蔣興

摘要： 運用CFD分析工具對反應堆內的流場分布進行數值模擬，給出反應堆燃料組件入口處流場的速度和流量分配情況.通過對計算結果的比較分析，對核電廠反應堆內的流動特性有比較全面的了解，從而為反應堆堆內構件的設計和優化提供分析依據.結果表明反應堆內流場采用CFD技術進行模擬計算是可行的.

關鍵詞： 反應堆； 燃料組件； 入口； 流場； CFD

中圖分類號： TL334；TB115.1文獻標志碼： B

0引言

反應堆是核電廠一回路系統中最重要的組成部分之一，其與蒸汽發生器、冷管段和熱管段的壓降共同組成的一回路壓降系統，是計算冷卻劑循環泵消耗功率和確定堆自然循環能力的重要參數.同時，反應堆內堆芯入口處流量分配的均勻性對堆芯熱量分布有直接影響，反應堆上腔室內的橫向流強度對控制棒驅動裝置和支撐結構有顯著影響.因此，反應堆內流場分析具有重要的工程應用價值.[12]

自20世紀80年代起，為弄清反應堆內流場的具體情況，上海核工程研究設計院在秦山一期反應堆的設計中完成大量的比例模型試驗，積累豐富的設計經驗.[3]1998年在秦山一期第4次大修中發現部分堆內構件出現損毀，上海核工程研究設計院采用數值模擬方法，用CFD技術協助工程實踐，取得積極進展.[4]近年來，隨著CFD技術的快速發展，采用數值模擬方法對反應堆流場進行分析研究成為可能.借助CFD手段對反應堆的局部流場進行廣泛的研究，可大大降低工程設計的研發成本.[57]本文運用CFD技術對正在開展的我國第三代核電自主化研發中心的反應堆設計部分進行研究，給出反應堆流場分析的方法應用.

1模型構建

根據反應堆設計的特點，反應堆內流場分析主要涉及到反應堆入口、下降環腔、導流圍板、堆內構件下腔室、堆芯下支承板、堆芯、堆芯上支承板、堆內構件上腔室和出口管嘴等一回路流動路徑上的關鍵部分，其中：堆芯的壓降主要取決于燃料組件的設計和布置，具有很大的規律性，可以通過理論計算得到比較接近真實值的計算結果；其他部件的理論計算有一定的難度，假設的解析方法通常比較保守，與真實值差別較大.為盡可能真實模擬反應堆內流場的分布，將反應堆以堆芯為界，分成下腔室和上腔室2個模型，分別進行模擬計算.由于反應堆本身具有對稱性，模型取1/4結構，采用三維CAD建模工具Inventor完成，流體幾何模型見圖1.

（a）下腔室（b）上腔室圖 1流體幾何模型

Fig.1Fluid geometry model

2計算方法

在完成CAD模型之后，采用網格生成工具ANSYSICEM進行網格劃分.因局部結構相對復雜，故采用六面體與四面體相結合的網格劃分策略，并在壁面附近添加邊界層網格，模型網格見圖2.考慮到下腔室模型中反應堆入口、導流圍板、堆芯下支承板和上腔室中堆芯上支承板、反應堆出口等部位的流場變化比較明顯，在這些位置進行局部網格加密.在模型壁面附近設置5層邊界層，網格需要滿足無關性.CFD計算包括前、后處理，都采用FLUENT完成.采用不可壓縮定常流體模型，湍流模型選用可實現kε模型，進口邊界條件設為速度入口，出口邊界條件設為壓力出口.將計算后的結果與基于經典流體力學公式開發的軟件THRIVE的計算結果進行對比，以確保結果有效.

（a）下腔室（b）上腔室圖 2流體有限元模型

Fig.2Fluid finite element model

3結果分析

為驗證仿真結果的準確性，分別取各段的壓降進行分析.下腔室中各段壓降的位置見圖3.將所取各段的值與理論計算得到的值進行對比，發現CFD計算的結果相對較大，這是由于在CFD計算中反應堆模型進行一定的簡化，去除部分用于減阻的倒角等結構.以反應堆堆內的總壓降為例，CFD的計算結果與理論計算程序計算結果的相對誤差為8.7%，是工程上可被接受的誤差范圍.由此可見，采用CFD技術進行反應堆內流場分析可行，可以有效驗證相應的結果.如果需要增加安全性，可以在關鍵部件處增加一定的保守因數，以確保反應堆的整體安全裕量.

圖 3在下腔室模型中各截面的位置示意圖，m

Fig.3Location of sections in lower plenum model， m

在下腔室模型中，取堆芯下支承板與堆芯連接處的截面進行流量分配計算，采用歸一化統計方法得到堆芯流量分配情況見圖4，可知，反應堆的堆芯流量分配比較理想，可以將偏差控制在4%以內，滿足設計要求.在上腔室模型中，取出口管嘴中軸線高度處的截面上x，y和z方向的速度矢量圖，考察上腔室橫向流的分布，見圖5，可知，x和y方向的速度明顯高于z方向，說明上腔室內存在較大的橫向流，且越靠近反應堆出口的位置橫向流速越大.橫向流速通過功率譜密度轉化后形成流致載荷，可應用于上腔室內導向筒和支撐柱的結構應力分析，詳細的CFD計算結果可用于后續的流致振動分析，為反應堆上部堆內構件的優化提供支持.圖 4堆芯入口流量分配的歸一化結果

Fig.4Core inlet flow rate distribution normalized results

（a）x方向（b）y方向（c）z方向

圖 5上腔室流場的分布，m/s

Fig.5Upper plenum fluid field distribution， m/s

4結束語

通過對反應堆內上、下腔室的流場分析得到反應堆內流場的分布情況.通過與理論計算軟件計算結果的比較說明反應堆內流場采用CFD技術進行模擬計算可行.與保守的理論計算程序相比，CFD的計算結果可提供更加真實、詳細的反應堆內部流場分布情況，為進一步的分析改進提供設計依據，可廣泛應用于反應堆內部結構的優化設計中.參考文獻：endprint

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