CEFR堆芯組件安裝方式對(duì)組件間流量分配的影響

李 淞，周志偉，馮預(yù)恒

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院快堆研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

CEFR堆芯組件安裝方式對(duì)組件間流量分配的影響

李 淞，周志偉，馮預(yù)恒

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院快堆研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

為研究堆芯組件安裝方式對(duì)組件間流量分配的影響，通過(guò)CFD數(shù)值模擬軟件FLUENT，對(duì)中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）1型小柵板聯(lián)箱上的7盒組件在22種安裝情況下進(jìn)行三維數(shù)值模擬。由計(jì)算結(jié)果可知，組件在22種布置情況下的流量與設(shè)計(jì)值的相對(duì)偏差為0.41%～2.03%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)堆內(nèi)最熱管的流量分配，可為今后CEFR的組件安裝方式提供參考。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆；小柵板聯(lián)箱；數(shù)值模擬；組件管腳布置；流量分配

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）的堆芯支撐結(jié)構(gòu)采用大柵板聯(lián)箱和小柵板聯(lián)箱組合的方式，小柵板聯(lián)箱尾部插入大柵板聯(lián)箱套管內(nèi)，而各類組件插在小柵板聯(lián)箱混合腔內(nèi)，一次鈉泵將鈉打入大柵板聯(lián)箱，液鈉流經(jīng)小柵板聯(lián)箱套管側(cè)面開(kāi)孔，流經(jīng)小柵板聯(lián)箱節(jié)流件、3個(gè)V字型流道，進(jìn)入小柵板聯(lián)箱混合腔。大部分液鈉經(jīng)過(guò)組件管腳側(cè)面節(jié)流孔流入組件內(nèi)部，在冷卻棒束后從組件出口流進(jìn)熱鈉池［1］。

為研究現(xiàn)有堆芯的流量分配方式，丁振鑫［2］對(duì)1～11型小柵板聯(lián)箱水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)；馮預(yù)恒等［3－4］使用CFX對(duì)小柵板聯(lián)箱節(jié)流件及帶燃料組件的節(jié)流件進(jìn)行了數(shù)值模擬。

為詳細(xì)了解模擬堆芯組件在小柵板聯(lián)箱混合腔內(nèi)的流量分配，本工作采用FLUENT對(duì)堆中實(shí)際的1型小柵板聯(lián)箱上的7盒組件在22種布置情況下進(jìn)行三維數(shù)值模擬，以研究組件管腳布置方式對(duì)組件間流量分配的影響。

1 計(jì)算幾何模型

1型小柵板聯(lián)箱混合腔內(nèi)插有7盒組件，它在堆芯中的位置示于圖1。在CEFR滿功率運(yùn)行時(shí)，中間1盒為中子源組件或替代中子源組件的中心鋼組件，分配的流量為0.3kg／s，周邊6盒組件為流量1區(qū)的燃料組件，分配的流量為3.94kg／s［1］。液鈉流過(guò)節(jié)流件后通過(guò)組件管腳側(cè)面的開(kāi)孔分配到不同組件，以達(dá)到有效冷卻堆芯的目的。

圖1 1型小柵板聯(lián)箱所處堆芯位置Fig.1 Position of type－1distribution header in core

計(jì)算幾何模型及其尺寸［5－6］示于圖2。流體依次流過(guò)區(qū)域a～g，其中，區(qū)域a、c、d、e為環(huán)形區(qū)域，區(qū)域b為逐漸縮小的環(huán)形區(qū)域。在區(qū)域d，沿圓周均勻開(kāi)有6個(gè)大小相同的孔，與區(qū)域c相連通。由區(qū)域e（小柵板聯(lián)箱節(jié)流件）到f（3個(gè)V字型流道）及由區(qū)域f到g（小柵板聯(lián)箱混合腔），流體區(qū)域突然擴(kuò)大。在小柵板聯(lián)箱混合腔內(nèi)插有6盒燃料組件管腳和1盒中子源組件管腳。

圖2 計(jì)算幾何模型及其尺寸Fig.2 Computational geometry model and size

組件管腳的布置方式及編號(hào)示于圖3。其中，中子源組件編號(hào)為1，燃料組件編號(hào)為2～7。如圖所示，小柵板聯(lián)箱混合腔內(nèi)安插的7盒組件，每個(gè)三角形代表組件的位置，三角形的尖角代表組件的管腳開(kāi)孔朝向，而實(shí)線和虛線三角形分別代表了組件的兩種可能的布置方式。由于進(jìn)入小柵板聯(lián)箱混合腔的入口是3個(gè)V字型流道（如圖中灰色區(qū)域所示），所以整體結(jié)構(gòu)具有120°的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，經(jīng)過(guò)排列組合，總共有22種布置方式。

圖3 組件管腳的布置方式及編號(hào)Fig.3 Arrangement and number of assembly pins

2 計(jì)算條件設(shè)置

計(jì)算中，流質(zhì)為溫度t＝360℃的液鈉，入口流量Q＝23.94kg／s［1］，鈉物性由以下公式［7］計(jì)算。

液態(tài)鈉密度ρ：

動(dòng)力黏度η：

由式（1）、（2）計(jì)算得到液鈉密度為864.41kg／m3、動(dòng)力黏度為3.048×10－4Pa·s。

入口邊界為一環(huán)形區(qū)域，入口速度為0.955m／s。出口邊界選擇為距小柵板出口5mm處的7個(gè)圓形截面，周邊6盒組件出口壓力為0Pa，中間組件出口流量為0.3kg／s。

計(jì)算時(shí)采用k－ε雙方程湍流模型［8］。由于計(jì)算區(qū)域復(fù)雜，使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分網(wǎng)格會(huì)使分區(qū)復(fù)雜，故在保證網(wǎng)格質(zhì)量和特定區(qū)域網(wǎng)格稠密程度的情況下，自動(dòng)生成四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分過(guò)程中采用了網(wǎng)格一體化、模型分區(qū)、使用網(wǎng)格密度函數(shù)等技術(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果網(wǎng)格無(wú)關(guān)化

圖4示出了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格敏感性分析。圖4中，壓降為從入口到小柵板出口的試驗(yàn)件的壓降。由圖可見(jiàn)，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)大于500萬(wàn)后，計(jì)算的壓降變化不大。因此，本工作選擇的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為569萬(wàn)。

圖4 網(wǎng)格敏感性分析Fig.4 Analysis of mesh sensibility

3.2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

對(duì)小柵板聯(lián)箱試驗(yàn)中的試驗(yàn)段（包括小柵板聯(lián)箱節(jié)流件和3個(gè)V字型流道）在6種流量（7.68、14.00、19.60、22.12、24.64、27.58kg／s）情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，得到6種流量情況下試驗(yàn)段的進(jìn)、出口壓差（測(cè)量位置與試驗(yàn)時(shí)的相同），與堆外水力試驗(yàn)［3］得到的流量與壓差曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果示于圖5。

圖5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.5 Comparison of numerical and experimental values

從圖5可看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與堆外水力試驗(yàn)的壓降結(jié)果的差別隨流量的減小而減?。粩?shù)值計(jì)算結(jié)果總是較試驗(yàn)結(jié)果大，且在流量為27.58kg／s時(shí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)偏差達(dá)到最大，為6.20%。

3.3 小柵板聯(lián)箱混合腔內(nèi)流場(chǎng)分布

對(duì)帶組件管腳的小柵板聯(lián)箱（包括小柵板聯(lián)箱節(jié)流件、3個(gè)V字型流道和組件管腳）在22種組件管腳布置情況下進(jìn)行數(shù)值模擬。各種組件管腳布置情況下，小柵板聯(lián)箱混合腔內(nèi)在組件管腳最上排開(kāi)孔處水平剖面的流場(chǎng)分布示于圖6、7（圖中D6、A1等為組件管腳布置方式的編號(hào)）。其中，圖6為流場(chǎng)分布最均勻和最不均勻情況下的小柵板聯(lián)箱混合腔內(nèi)流場(chǎng)分布，圖7為其他20種情況下的流場(chǎng)分布。

圖6 兩種典型的流場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of two typical flow fields

3.4 流量分配的結(jié)果

為定量表征22種情況下的流量分配結(jié)果，引入名為組件流量偏差δ的物理量，其定義如下：

圖7 除去典型流量分配情況的流場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of flow field except typical flow conditions

組件管腳不同布置情況下的流量相對(duì)偏差示于圖8。

圖8 不同布置情況下的流量相對(duì)偏差Fig.8 Flow relative deviations of different assembly installations

由圖8可知，組件管腳布置引起組件間流量相對(duì)偏差范圍為0.41%～2.03%，在第7種組件管腳布置方式下組件間流量相對(duì)偏差最大，而在第14種組件管腳布置方式下組件間流量偏差最小。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明俄羅斯給出的組件間流量的極限相對(duì)偏差為5%是合理的，同時(shí)也說(shuō)明俄羅斯的BN系列反應(yīng)堆中小柵板聯(lián)箱的流體力學(xué)設(shè)計(jì)是合理的。

第7種和第14種組件管腳布置方式下各組件的流量分配結(jié)果列于表1，對(duì)應(yīng)的組件管腳布置方式示于圖9。

表1 組件流量分配Table 1 Flow distribution of assemblies

圖9 兩種典型的布置方式Fig.9 Two typical arrangements

由表1可知，在第14種組件管腳布置方式下（圖9a）流量分配結(jié)果最接近設(shè)計(jì)情況下的每個(gè)組件流量為3.94kg／s的目標(biāo)。在第7種組件管腳布置方式中，以2號(hào)組件和5號(hào)組件為例，由于其組件管腳開(kāi)孔的朝向不同，導(dǎo)致流入組件內(nèi)的流量具有明顯的差別。造成這樣的流量分配差別的原因是：在小柵板聯(lián)箱的混合腔內(nèi)，冷卻劑的流動(dòng)方向與組件管腳開(kāi)孔的方向垂直，所以組件管腳越靠近3個(gè)V字型流道，從開(kāi)孔外圍掠過(guò)的速度越大，則流入該開(kāi)孔的流量越小。

3.5 對(duì)CEFR燃料組件布置的建議

考慮到CEFR換料的特殊情況（液態(tài)鈉不透明），結(jié)合本工作給出的組件管腳的推薦布置方式示于圖10。圖中的灰色三角形代表組件管腳，尖角代表組件管腳開(kāi)孔朝向，在這種組件管腳布置方式中，組件管腳開(kāi)孔的朝向與組件外包殼的六邊形尖角正對(duì)。這種組件管腳布置方式雖然不能實(shí)現(xiàn)流量分配最均勻，但能有效避免流量分配最不均勻的情況出現(xiàn)，同時(shí)不需對(duì)目前的換料系統(tǒng)做任何的修改，只需在燃料組件管腳裝配時(shí)將組件管腳的開(kāi)孔朝向預(yù)先調(diào)整到所需的位置。

圖10 推薦的組件管腳布置方式Fig.10 Recommended assembly pin arrangement

4 結(jié)論

本工作對(duì)由節(jié)流件、小柵板聯(lián)箱及燃料組件管腳組成的一體結(jié)構(gòu)在22種情況下進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到的結(jié)論如下。

1）使用本文的方法對(duì)節(jié)流件及小柵板的壓降進(jìn)行三維數(shù)值研究，與之前小柵板聯(lián)箱流動(dòng)阻力特性試驗(yàn)符合得很好，說(shuō)明本文的研究方法基本可靠。

2）組件管腳在22種布置方式下，由于組件管腳布置方式引起的流量相對(duì)偏差范圍為0.41%～2.03%，驗(yàn)證了俄羅斯BN系列反應(yīng)堆中小柵板聯(lián)箱在流體設(shè)計(jì)中的合理性。

3）結(jié)合本工作，給出了CEFR中燃料組件管腳的一種推薦布置方式。

［1］ 楊福昌.平衡態(tài)氧化鈾堆芯穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)［R］.北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2002.

［2］ 丁振鑫.CEFRⅠ－Ⅱ型小柵板聯(lián)箱流動(dòng)阻力特性實(shí)驗(yàn)［R］.北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2003.

［3］ 馮預(yù)恒，胡文軍，喬雪冬，等.CEFRⅠ－Ⅱ型柵板聯(lián)箱節(jié)流件的數(shù)值模擬［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2008，42（增刊）：150－154.

FENG Yuheng，HU Wenjun，QIAO Xuedong，et al.Numerical simulation forⅠ－Ⅱtypes of distribution header throttle structure in CEFR［J］.Atomic Energy Science and Technology，2008，42（Suppl.）：150－154（in Chinese）.

［4］ 馮預(yù)恒，胡文軍，喬雪冬，等.CEFR小柵板聯(lián)箱及其節(jié)流件數(shù)值模擬［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2008，42（增刊）：463－467.

FENG Yuheng，HU Wenjun，QIAO Xuedong，et al.Numerical simulation for distribution header and throttle structure in China Experimental Fast Reactor［J］.Atomic Energy Science and Technology，2008，42（Suppl.）：463－467（in Chinese）.

［5］ 尤吉堃.小柵板聯(lián)箱設(shè)計(jì)圖冊(cè)［R］.北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2002.

［6］ 張學(xué)鋒.Ⅰ－Ⅱ型小柵板聯(lián)箱水力特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)加工圖冊(cè)［R］.北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2003.

［7］ 趙兆頤，朱瑞安.反應(yīng)堆熱工流體力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1992：289－290.

［8］ 趙洪章，岳春國(guó)，李進(jìn)賢，等.基于Fluent的導(dǎo)彈氣動(dòng)特性計(jì)算［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27（2）：203－205.

ZHAO Hongzhang，YUE Chunguo，LI Jinxian，et al.A missile’s aerodynamic characteristic calculation based on Fluent［J］.Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance，2007，27（2）：203－205（in Chinese）.

Impact of CEFR Core Assembly Installation on Flow Rate Distribution among Core Assemblies

LI Song，ZHOU Zhi－wei，F(xiàn)ENG Yu－h(huán)eng
（China Institute of Atomic Energy，P.O.275－95，Beijing102413，China）

In order to study impact of the core assembly installation on flow rate distribution among core assemblies，three－dimensional numerical simulation was carried out with CFD code FLUENT to investigate the flow rate distribution of 7assemblies installed on China Experimental Fast Reactor（CEFR）type－1distribution header.The calculation results show that the relative deviations of calculated flow rates and their design values under 22kinds of assembly arrangements are 0.41%－2.03%.Not only the flow distribution in the hottest tube can be more accurately determined，but also the reference for the assembly installation in CEFR is figured out according to simulation results.

China Experimental Fast Reactor；distribution header；numerical simulation；assembly pin arrangement；flow distribution

TL331

A

：1000－6931（2015）02－0207－05

10.7538／yzk.2015.49.02.0207

2014－08－29；

2014－10－22

李 淞（1989—），男（彝族），貴州畢節(jié)人，碩士研究生，反應(yīng)堆熱工水力專業(yè)