棒束組件中流場特性研究進展與思考

摘要：核電站中核燃料處于不斷消耗和補充換料的動態(tài)循環(huán)過程中，先進燃料組件的研發(fā)對核電站的經(jīng)濟性和安全性提高有重要意義，其熱工性能的提升主要依賴于燃料棒束中流場的合理分布。由于燃料組件由多根元件棒組成，且軸向周期性布置多個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的定位格架用于固定和攪混，使得燃料棒束組件中流場特性也十分復(fù)雜。本文對棒束組件中流場特性的國內(nèi)外研究進展進行調(diào)研，并思考棒束組件研究中存在的問題，為先進燃料組件的研發(fā)提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：燃料組件；流場特性；研究進展

中圖分類號： TL334 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1 前言

燃料組件是核電站的核心部件之一，在役運行的核電站中燃料成本占總運行成本的近30%，研發(fā)具有高燃耗、低破損、長循環(huán)、高可靠性和良好熱工水力性能等優(yōu)點的先進燃料組件，是世界各大核電公司、機構(gòu)致力改善核電站安全性、可靠性和經(jīng)濟性的有效手段，也是我國核電國產(chǎn)化的關(guān)鍵。燃料組件由元件棒和定位格架組成復(fù)雜的開式通道，系統(tǒng)掌握燃料組件中的流場行為特性，是優(yōu)化其熱工水力性能的關(guān)鍵一步，也是建立燃料組件設(shè)計評價體系，突破先進燃料組件自主設(shè)計技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

2 國內(nèi)外研究進展與分析

為了掌握復(fù)雜棒束組件中的冷卻劑熱工水力特性，國內(nèi)外研究人員從20世紀(jì)60、70年代起開展了廣泛的實驗研究，研究內(nèi)容主要包括：無定位格架光棒束內(nèi)橫向壓力梯度產(chǎn)生的子通道間“自然”交混、定位格架對棒束通道間交混的影響、帶定位格架棒束組件中軸向壓降和橫向壓力分布、定位格架交混翼對軸向和橫向流速分布特性的影響、定位格架附近湍流度增加產(chǎn)生的換熱增強及臨界熱流密度特性等等。針對棒束組件中流動特性的研究如下。

2.1 帶定位格架棒束組件中流動特性實驗研究

中國核動力研究設(shè)計院的胡俊[1]在1992年采用二維三光束LDV系統(tǒng)對棒束組件中單相流場進行了測試。熊萬玉等人[2]在此基礎(chǔ)上改進了實驗裝置，對帶2個定位格架的5×5棒束組件中三維單相流場進行了可視化實驗研究，實驗用二維三光束LDV系統(tǒng)測量獲得棒束組件中流體軸向流速和橫流速度的分布，結(jié)果表明：流體經(jīng)過定位格架后，橫向速度加強，軸向速度波動較大；不同通道內(nèi)橫向速度和軸向速度不相同，邊通道的速度小于中心通道速度。

日本三菱重工在采用CFD方法研發(fā)高性能燃料組件的過程中，開展了相應(yīng)的帶定位格架棒束組件流場特性實驗，用來校驗和開發(fā)CFD模型。Ikeda等人[3]采用元件棒內(nèi)嵌LDV系統(tǒng)測量獲得5×5棒束組件中棒間隙處的軸向和橫向流速實驗數(shù)據(jù)。

為了獲得CFD模型校驗與開發(fā)所需的帶定位格架棒束組件中冷卻劑流動基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)，21世紀(jì)初幾年，西屋公司與Clemson大學(xué)合作開展了一系列棒束組件流場測量可視化實驗[4]-[5]。實驗采用PIV測量技術(shù)，對5×5棒束組件中定位格架下游單個子通道[4]和多個子通道內(nèi)[5]橫向流速進行了測量，通過使用透明的聚碳酸酯流道和部分石英元件棒使激光層到達(dá)測量區(qū)域，并在流道末端伸入測量管用以拍攝示蹤粒子。實驗獲得了撕裂式交混翼作用下通道內(nèi)橫向速度分布及渦旋特性，但該方法測量范圍較小，且測量管會對流場產(chǎn)生干擾。

近幾年隨著高頻、高分辨率PIV技術(shù)的快速進步，西屋公司又與Texas大學(xué)合作重新進行5×5棒束組件中CFD校驗基準(zhǔn)實驗研究[6]。Texas大學(xué)對實驗裝置進行了改進，采用全透明流道，以及折射率與水匹配的材料加工元件棒，消除了測量裝置對流場的干擾。實驗測量獲得了5×5棒束組件不同子通道內(nèi)軸向流速和不同軸向位置處橫向流速動態(tài)分布和變化特性可視化實驗數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進一步處理獲得了定位格架附近湍流強度、渦流特征等流場信息。

近年來棒束通道相關(guān)基礎(chǔ)實驗研究的趨勢是在三維空間內(nèi)進行精細(xì)的流場可視化定量測量，獲得的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)能夠加深人們對定位格架作用下棒束組件中流場分布和演化內(nèi)在機制的認(rèn)識，并為用于定位格架設(shè)計的CFD數(shù)值計算模型校驗提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2.2 棒束組件中流場特性理論計算及CFD的應(yīng)用

相對實驗研究，理論計算具有費用低、危險小和周期短的優(yōu)點，尤其在設(shè)計研發(fā)階段，采用理論計算可以進行不同設(shè)計方案的對比分析和預(yù)先評估，從而大大減少了研發(fā)費用，縮短了研發(fā)周期。

在燃料組件研發(fā)中，采用CFD局部尺度模擬程序能夠更精確地模擬棒束組件中的復(fù)雜熱工水力現(xiàn)象，有利于把握定位格架設(shè)計和優(yōu)化中存在的細(xì)節(jié)問題。隨著近年來計算機技術(shù)的快速進步、CFD物理模型和數(shù)值計算方法的豐富和成熟，CFD方法已在燃料組件設(shè)計和安全分析中得到越來越多的重視和應(yīng)用。

在利用單相CFD方法進行燃料組件流場研究和定位格架設(shè)計方面具有較大影響的工作包括：日本三菱重工借助單相CFD方法完成的高熱工性能定位格架研制；美國西屋公司進行的棒束組件中流動換熱特性CFD計算基準(zhǔn)問題研究等。

三菱重工在研制高熱工性能定位格架的過程中系統(tǒng)地研究和發(fā)展了CFD技術(shù)[3]，[7]，設(shè)計中用CFD計算了定位格架下游的橫向流動、壓力損失系數(shù)和相同功率下燃料棒周圍的峰值溫度，并采用壓降、交混和DNB實驗數(shù)據(jù)對CFD模型進行了驗證。通過以峰值溫度與平均溫度之差作為評價依據(jù)對幾種格架進行篩選，建立了一套“先采用CFD方法進行性能預(yù)測，再采用CHF實驗進行驗證”的格架研制方法體系。三菱重工的研究表明，采用單相CFD方法計算和評價棒束組件定位格架的熱工水力性能，指導(dǎo)定位格架設(shè)計是可行的。

西屋公司的Conner等人[8]對用CFD進行PWR燃料組件熱工水力性能設(shè)計研究基準(zhǔn)工作進行了總結(jié)，并給出了西屋公司利用STAR-CD進行堆芯工況下燃料組件設(shè)計的CFD計算模型及準(zhǔn)則。西屋公司的研究表明：帶交混翼定位格架的棒束組件中三維流場非常復(fù)雜；盡管單相CFD計算方法已比較成熟，但針對棒束組件開發(fā)的CFD模型仍需要經(jīng)過充分的驗證才能得到正確的計算結(jié)果；完成基準(zhǔn)驗證工作后，CFD程序作為一種“工具”可以用于定位格架熱工水力性能的設(shè)計和研究。

隨著我國高性能先進燃料組件國產(chǎn)化進程的啟動和推進，從20世紀(jì)末至今，國內(nèi)也有很多研究者采用CFD方法在棒束燃料組件中熱工水力特性分析和定位格架設(shè)計、優(yōu)化等方面開展了大量的研究，相關(guān)研究工作主要集中在中國核動力研究設(shè)計院。熊萬玉[2]在其LDV可視化實驗測量的基礎(chǔ)上，采用CFX4程序?qū)喕蟮?×2帶定位格架棒束組件中三維單相流場進行了理論計算，計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)總體相符，證明了CFD方法用于格架附近單相流場計算分析的可行性。田瑞峰等人[9]將帶定位格架棒束組件的CFD模型從2×2擴展到5×5，并采用混合網(wǎng)格和改進的SIMPLEC算法，針對定位格架各典型部件對流場的影響進行了CFD計算分析。陳畏葓等人[10]研究了CFD技術(shù)在格架優(yōu)化設(shè)計中的具體應(yīng)用，他們針對不同的定位格架交混翼設(shè)計方案進行了CFD模擬計算，并以流體最高溫度、熱通道平均溫度、橫向流交混因子等為評價準(zhǔn)則對幾種設(shè)計方案進行了對比分析，初步提出了定位格架篩選的方法。陳杰[11]在用CFD方法進行定位格架交混性能評價方面做出了進一步努力，提出了定位格架整體交混性能評價的“交混非均勻度因子”，并基于CFD計算分別對商用17×17定位格架和實驗用5×5定位格架進行了初步評價。

采用CFD方法對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的棒束組件中三維流場和溫度場的分布及其演化特性進行模擬計算，可以獲得詳細(xì)的局部流動和傳熱信息，有助于更好地理解其中的熱工水力現(xiàn)象。國外已有成功將單相CFD方法應(yīng)用于先進燃料組件研發(fā)中的經(jīng)驗，國內(nèi)也在先進燃料組件的自主設(shè)計過程中進行了大量的CFD計算分析；而國外十分重視程序的驗證，開展了系統(tǒng)性的基準(zhǔn)驗證實驗對CFD模型和算法等進行驗證優(yōu)化，國內(nèi)在相關(guān)方面則相對薄弱，僅開展了少量探索性基礎(chǔ)實驗和CFD程序驗證工作。開展基準(zhǔn)實驗，對CFD模型和算法等進行驗證優(yōu)化，有助于保證數(shù)值計算結(jié)果的正確性和精確性，從而為CFD方法在先進燃料組件研發(fā)和定位格架設(shè)計、篩選中的有效應(yīng)用奠定關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 思考與結(jié)論

先進燃料組件在反應(yīng)堆中規(guī)模化應(yīng)用后能夠產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益，國外經(jīng)過數(shù)十年不斷努力，已成功研發(fā)了多個系列的先進燃料組件；我國只有自主化研發(fā)先進燃料組件，才能突破國外知識產(chǎn)權(quán)帶來的種種限制并有效降低核電站運營成本。

在先進燃料組件熱工水力設(shè)計方面，國外經(jīng)過數(shù)十年不斷的研究，已形成格架設(shè)計、優(yōu)化、評價的完整體系；國內(nèi)燃料組件國產(chǎn)化進程啟動多年尚無突破性進展，流場特性基礎(chǔ)研究尤其是關(guān)鍵實驗數(shù)據(jù)的缺乏，已成為格架設(shè)計優(yōu)化和國產(chǎn)化的重要制約因素。

針對棒束組件中三維流場特性進行實驗測量，可以加深對定位格架作用下棒束組件中冷卻劑流動特性的微觀機理認(rèn)識，為定位格架性能的工程評價和CFD數(shù)值模型的基準(zhǔn)校驗提供定量精細(xì)測量的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)，并為棒束組件中其他相關(guān)研究奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，對先進燃料組件的研發(fā)和定位格架的優(yōu)化改進具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1]胡俊等，反應(yīng)堆燃料組件棒束流場的激光測試和計算，內(nèi)部報告，1992.

[2]熊萬玉. 帶定位格架棒束內(nèi)單相流體三維流場研究. 中國核動力研究設(shè)計院碩士學(xué)位論文，2000年.

[3]Kazuo Ikeda， et al.， Cross flow study of PWR mixing core I-measurement and CFD prediction. ICONE-6 May 10-15， 1998.

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[5]McClusky， H.L.， Holloway， M.V.， Conover， T.A.， Beasley， D.E.， Conner， M.E.， Smith III， L.D.， 2003. Mapping of the lateral flow field in typical subchannels of a support grid with vanes. ASME Journal of Fluids Engineering 125， 987–996.

[6]Michael E. Conner， Yassin A. Hassan， Elvis E. Dominguez-Ontiveros. Hydraulic benchmark data for PWR mixing vane grid. Nuclear Engineering and Design 264 （2013） 97–102.

[7]Ikeda， K.， Makino，Y.， Hoshi， M.， et al.. Single-phase CFD application for estimating fluid hot-spot locations in a 5×5 fuel rod bundle. Nuclear Engineering and Design.2006，236，1149-1154.

[8]Conner，M.E.， Baglietto，E.， Elmahdi，A.M.. CFD methodology and validation for single-phase flow in PWR fuel assemblies. Nuclear Engineering and Design. 2010，240，2088-2095.

[9]田瑞峰，毛曉輝，王小軍. 定位格架典型部件對5×5棒束組件中流場影響的數(shù)值研究. 原子能科學(xué)技術(shù)，第43卷，第1期，2009年1月.

[10]陳畏葓，張虹，張鳳林，胡海翔，胡德勇，陳平，雷濤. 先進燃料組件格架交混性能分析. 核動力工程，第29卷，第3期，2008年6月.

[11]陳杰. CFD模擬定位格架交混性能的研究方法. 中國核動力研究設(shè)計院碩士學(xué)位論文. 2010年.