借助CFD方法的燃料轉運通道熱工水力實驗的臺架設計

毛喜道，郭 強，劉 洋，賈海軍

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；

2.清華大學核能與新能源技術研究院，北京 100084）

借助CFD方法的燃料轉運通道熱工水力實驗的臺架設計

毛喜道1，郭 強1，劉 洋2，賈海軍2

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；

2.清華大學核能與新能源技術研究院，北京 100084）

核電廠安全設計中，需要考慮燃料轉運過程中的熱工安全問題。具體而言，需要研究復雜幾何結構內發生于狹窄水平流道的有加熱源的自然循環流動傳熱過程。借助計算流體力學（CFD）方法，對流動傳熱過程進行了預研，并據此選定了重點研究區域和關鍵物理現象。結合實驗需求，設計了專用的熱工水力實驗臺架，并根據相似理論分析了實驗段與原型之間的差異，以及由此引入的誤差，為開展進一步的實驗研究奠定了基礎。

CFD；熱工水力；實驗臺架

燃料轉運通道是位于核電站燃料廠房和反應堆廠房之間的水下運輸燃料組件的通道。在設計燃料轉運裝置時，需考慮持續發熱的乏燃料組件在假想的事故條件下，如果長時間滯留于燃料轉運通道中，是否可得到充分且及時的冷卻，從而避免發生局部過熱的風險。傳統的基于集總參數的分析方法難以針對局部特征進行準確預測，對于流道結構復雜的流動傳熱過程，通常需利用實驗方法獲得可信的數據基礎。然而，考慮到各種現實條件的制約，實驗設計階段通常需進行物理模型的簡化和對重要現象的分析。CFD方法作為一種有效的模擬手段，本工作將其引入到以實驗臺架設計為目的的預研工作中。

1 研究背景

燃料轉運通道的位置如圖1所示。燃料組件放倒后，通過兩大型水池之間連接的燃料轉運通道，完成燃料組件的卸出或裝入操作。

圖1 燃料轉運通道的位置Fig.1 Location of fuel transfer tube

燃料組件水平穿過轉運通道時，由帶有挖孔的承載器和運輸小車承載和保護。在假設的事故條件下，運輸機構卡在通道內無法移出，只能借助通道內水平方向的自然循環帶出燃料組件的余熱。圖2示出燃料轉運通道內燃料組件周圍的流道。

圖2 燃料轉運通道內燃料組件周圍的流道Fig.2 Flow path around fuel assembly in fuel transfer tube

水平狹窄通道內的自然循環流動傳熱問題相關報道較少，尤其是本課題背景下還要考慮特定形狀的復雜流道對流動傳熱過程的影響。為此，需專門設計和建造實驗臺架，開展相關熱工水力問題的深入研究。結合所研究問題的工程背景，實驗關注的核心問題是燃料棒表面溫度，以及用以冷卻燃料棒的水平自然循環流動傳熱過程，尤其是燃料棒周圍的局部流動傳熱現象。因此，需確保經簡化設計的實驗臺架，能得到具有包絡性特征的實驗結果，同時具有與工程原型中相類似的流動傳熱現象。

2 數值模擬

為識別主要現象，確定重要影響因素，選取重點研究區域和正確設置實驗的邊界條件，用以支持實驗方案的設計，以CFD程序為主要工具，對轉運通道內的流動傳熱過程進行模擬。

2.1 計算模型和網格

參考前期研究成果［1－2］，可確定燃料組件處于轉運通道中部時，熱工安全分析更具有包絡意義，同時也發現通道直徑、承載器挖孔型式和燃料組件的發熱功率對自然循環流動強度具有很明顯的影響，因此對于CFD模擬和實驗研究，需著重考慮這幾項重要參數的偏差控制。基于上述分析，參照典型的工程設計參數，建立了關鍵幾何特征尺寸1∶1的CFD計算模型，從而可對燃料組件和周圍狹窄流道進行細致的反映。圖3為流體域物理模型示意圖。

圖3 流體域物理模型示意圖Fig.3 Schematic of physical model for fluid zone

對燃料棒附近的流體域進行細致的網格劃分，考慮到流動狀態可能處于層流、湍流和過渡流態，為適應SST模型（剪切應力模型）的網格要求［3］，劃分了較密的邊界層網格。圖4為燃料棒周圍網格示意圖。

2.2 計算條件和結果

參考工程設計中若干典型的事故工況假設，基于數值模型進行了一系列的計算模擬。計算工況邊界條件列于表1。

通過計算表明：兩側水池溫度相等時，通道內的流場溫度場形狀基本對稱；兩側水池溫度不相等時，通道內不同水層存在明顯的方向性，上層高溫流體流向低溫水池，下層低溫流體流向高溫水池。兩側水池水溫相同和不同的通道內溫度場示于圖5。

圖4 燃料棒周圍網格示意圖Fig.4 Mesh schematic around fuel rod

表1 計算工況邊界條件Table 1 Boundary conditions of computing cases

相應地，燃料組件表面溫度分布也表現出不同的特點，由于兩側水池溫度不相等時，通道內不同水層存在的明顯方向性，軸向流動會對組件表面溫度場產生明顯的偏移作用。兩側水池水溫相同和不同的燃料組件表面溫度場示于圖6。

圖5 兩側水池水溫相同（a）和不同（b）的通道內溫度場Fig.5 Temperature field in tube with equal（a）and different（b）temperatures in both sides

圖6 兩側水池水溫相同（a）和不同（b）的燃料組件表面溫度場Fig.6 Temperature field on surface of fuel rods with equal（a）and different（b）temperatures in both sides

雖然從宏觀的流場和溫度場來看，兩類工況下其物理場形狀和軸向流動方向有明顯的差別，然而分析燃料組件表面最熱點位置以及徑向的流動傳熱形式時，卻都存在類似的結論，即最熱區域處于燃料組件的中段，且在此界面上，溫度最高點位于承載器上頂角遠離頂部開孔的位置。關于徑向的流動，兩種工況的計算結果展示了基本相同的流動傳熱模式，即冷水自承載器兩側壁開孔流入，經組件加熱后，上升至頂部開孔處流出承載器，整個流場展現出相當好的對稱性，最熱的位置出現在承載器上頂角的位置，此外，組件頂部的燃料棒普遍處于較高溫度的冷卻劑之中，造成壁面溫度較高，計算結果如圖7所示。

3 臺架設計

3.1 實驗段選取和關鍵現象分析

對于流動傳熱問題，關鍵是截取重點研究區域，以及分析主要的流動傳熱現象，進而根據實驗目的，并參考實驗條件，設計和實施實驗任務。

結合工程背景，需要研究的重點區域應是冷卻條件最不利、最可能出現燃料包殼表面高溫的流體域。根據CFD計算模擬獲取的信息發現，無論兩側水池溫度相同與否，燃料包殼表面溫度最高點總是處于轉運通道中段的區域，于是，在實驗設計中可以僅重點考慮和驗證模擬轉運通道的一小段流道，而無需全部模擬整個通道以及兩端的水池。對于兩側水池溫度相等的工況，最熱區域基本處于通道正中；雖然兩側水池溫度不相等的工況下，因通道內存在明顯的溫度分層，且上層高溫流體具有明顯的單向流動特征，使得高溫區分布情況發生相應的軸向偏移，但其燃料包殼和流體域的高溫段仍落在中部附近的位置，參考圖6的計算結果，高溫區的軸向偏移范圍不超過1個孔間距，因此在實驗設計中，實驗段可涵蓋3個孔間距的軸向長度，以充分包絡可能出現最高水溫和壁溫的流道區域。

圖7 兩側水池水溫相同時的通道徑向截面溫度場Fig.7 Temperature field on cross－cut section in tube with equal temperature in both sides

根據CFD計算模擬結果，可分析得出流動傳熱現象的關鍵影響因素和特征。對于傳熱問題，主要的影響因素是加熱邊界條件及自然循環的流動情況（包括流動的矢量場分布和湍流、層流等流動狀態）。參考圖7，對流動對傳熱的影響程度而言，相比軸向流動，徑向流動會對溫度場分布帶來更決定性的影響。另外，由于徑向流動涉及到復雜的棒束，要準確反映棒束擾流以及從層流到湍流的轉捩過程，在實驗設計中，徑向的流道形狀應盡量保持與原型一致，以確保各類復雜現象的相似。

3.2 實驗臺架方案設計

基于對關鍵研究區域和物理現象的分析，實驗臺架的實驗段設計為軸向長度1m左右，可對原型設計中3個孔間距范圍內機械結構完整模擬，徑向截面上的幾何流道為1∶1模擬（包括承載器、小車的擋板形狀、定位，燃料棒束的直徑、間距等）。除此之外，結合實驗內容，配套安裝熱電偶、壓力表、流場示蹤劑注入口和照明、攝像裝置等。此外，為模擬合適的邊界條件，需配備水溫控制系統（加熱器和冷卻器）和燃料模擬發熱的加熱裝置。在實驗中，為維持穩態實驗中的能量守恒，燃料模擬發熱裝置正常工作的同時，冷卻器需要相應的實時調節排熱功率，防止實驗裝置持續升溫。圖8為實驗裝置示意圖，其中，實驗段部分參考原型的設計型式（圖2）。

3.3 相似分析和限制條件

對于軸向流動問題，涉及到與流動傳熱相關的本構方程如下。

連續性方程：

動量方程：

流體能量方程：

固體能量方程：

流－固邊界條件：

圖8 實驗裝置示意圖Fig.8 Schematic of experiment facility

通過參數無量綱化，可整理出方程包含的物理量相似準則數群［4］如下。

Richardson數為：

阻力數為：

修正的Stanton數為：

時間數為：

Biot數為：

熱源數為：

幾何相似群如下。

無量綱軸向長度比為：無量綱流通面積比為：類似地，對于徑向流動問題，涉及到與流動傳熱相關的物理量相似群：Nu、Re、Pr；幾何量相似群：θT、θL（柵距θ＝s／d）。

受到實驗條件的限制，實驗裝置僅模擬了原型裝備流道中央附近的一部分區域，軸向流動被極大削弱，并且僅能開展常壓范圍內的實驗，而不能完全模擬0.2MPa的環境壓力，此外加熱裝置只能模擬3×3棒束的加熱范圍，由此也會帶來一定的失真。為定量評價失真程度，定義了如下的計算公式，其中，下標m表示模型中的參數，p表示原型中的參數，R表示模型與原型中同名相似準則的比值，即：

ψR不為1時，則代表發生了失真。

對主要相似數進行計算，并對不為1的量進行失真度分析，結果列于表2。

基于上述的分析結果表明，實驗設計可相當好的符合原型設備的特征，可通過實驗反映與原型一致的物理現象和重要流動傳熱問題。由于實驗條件的局限，會在某些工況下，因物性參數不同或加熱方式的差別，引入一些失真，但通過定量分析表明，與傳熱關系密切的Nu及與流動關系密切的Re均呈現略有偏小的趨勢，結合本工作的工程背景，這種失真趨勢對研究結果而言是偏保守的。

表2 相似分析與失真度Table 2 Similarity analysis and distortion

續表2

4 結論

1）利用CFD程序對燃料轉運通道熱工水力研究課題進行了預研，展示了研究對象在關心的工況下主要的物理過程、流動傳熱現象以及自然循環循環流動方式。

2）基于數值模擬結果，分析了重點需要關注的區域，以及涉及到的主要流動傳熱現象。

3）為確保重點區域的主要物理現象得到較為全面和準確的反映，選定了通道中央附近，一定長度的復雜流道作為重點研究對象，并依照徑向機械結構1∶1的原則進行實驗段設計。

4）針對主要的流動傳熱現象進行了相似分析，整理出實驗設計中涉及到的主要相似準則數以及幾何相似群。

5）考慮到實驗條件的局限性，結合原型設備的相關參數特點，進行了失真度的分析。分析結果表明，設計的實驗裝置可很逼近模擬研究對象的流動傳熱過程，對于存在失真度的相似參數，結合課題的工程背景，預計實驗結果應是偏保守的。

［1］ GUO Qiang.Numerical research on complex convection in the fuel transfer channel［C］∥ASME Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering.Xi’an：ASME，2010.

［2］ GUO Qiang，WANG Hui.Numerical simulation on 3Dflow in the fuel transfer canal and local flow field analysis［C］∥ASME Proceedings of the 21th International Conference on Nuclear Engineering.Chengdu：ASME，2013.

［3］ ANSYS Inc.ANSYS FLUENT theory guide［M］.USA：ANSYS Inc.，2011.

［4］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.3版.北京：高等教育出版社，1998.

Design of Thermal－hydraulic Experiment Facility in Fuel Transfer Tube with CFD Method

MAO Xi－dao1，GUO Qiang1，LIU Yang2，JIA Hai－jun2
（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing100840，China；2.Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China）

The thermal－hydraulic risks of fuel assemblies during fuel transfer process should be considered according to the nuclear safety design regulations.Specifically，the natural circulation in complex flow paths，namely，the flow and heat transfer in narrow and horizontal region，should be investigated.Based on pre－research by computational fluid dynamics（CFD）method，the key section in the prototype was selected and main phenomena existed in this section were identified.Thereby the experiment facility was designed according to the requirements of experiment.Based on similarity theory，the deviation analysis between facility and prototype suggests that the errors led by deviation can be tolerated，and this facility lays a basis for further experimental research.

CFD；thermal－hydraulics；experiment facility

TL332

A

1000－6931（2015）02－0304－07

10.7538／yzk.2015.49.02.0304

2014－05－26；

2014－11－20

毛喜道（1977—），男，山東青島人，高級工程師，碩士，核電廠設計專業