基于自然對流的堆頂局部熱點分析及設(shè)計優(yōu)化

張志強 李 維 付國忠 張進強 李國棟 鮮希睿

（1、核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都610213 2、中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都610213）

在核反應(yīng)堆中，控制棒驅(qū)動機構(gòu)是反應(yīng)堆控制和保護系統(tǒng)中重要的伺服機構(gòu)，控制棒驅(qū)動機構(gòu)是驅(qū)動控制棒組件運動、實現(xiàn)準確調(diào)節(jié)反應(yīng)堆內(nèi)反應(yīng)性變化的重要部件，控制棒驅(qū)動機構(gòu)具有實現(xiàn)反應(yīng)堆啟動、提升功率、保持功率、負荷跟蹤、正常停堆和緊急事故停堆等重要的安全功能。

磁力提升型控制棒驅(qū)動機構(gòu)中的線圈組件是實現(xiàn)對控制棒組件狀態(tài)控制的主要部件。通過對驅(qū)動機構(gòu)線圈通以不同時序電流，實現(xiàn)不同動作控制。但與此同時，通電線圈將產(chǎn)生大量熱量，影響整個堆頂溫度場分布。作為堆頂結(jié)構(gòu)的一部分，控制棒驅(qū)動機構(gòu)是產(chǎn)生堆頂熱量的主要來源（另一部分來自于堆頂部自然對流換熱和熱輻射）。核反應(yīng)堆運行經(jīng)驗和有關(guān)研究表明，運行溫度對控制棒驅(qū)動機構(gòu)壽命及工作性能有著重要的影響。

在反應(yīng)堆的設(shè)計分析和設(shè)備開發(fā)過程中，利用先進的CAE分析技術(shù)，既是核電設(shè)備國產(chǎn)化的任務(wù)和方向，也是技術(shù)改進優(yōu)化，降低成本的重要手段[1]。針對反應(yīng)堆流場分析研究，常采用計算流體力學(xué)（CFD）方法。于浩[2]等通過CFD 分析工具對反應(yīng)堆內(nèi)的流場分布進行數(shù)值模擬，給出反應(yīng)堆燃料組件入口處流場的速度和流量分配情況。張明[3]等通過三維流場的數(shù)值模擬分析，得到了冷卻劑在堆內(nèi)的流動狀態(tài)。在計算過程中，計算網(wǎng)格的質(zhì)量決定了計算資源的占用、計算速度以及計算的精度。何培峰[2]等通過HyperMesh 軟件對堆頂結(jié)構(gòu)進行了高質(zhì)量六面體網(wǎng)格的劃分，并分析了堆頂驅(qū)動機構(gòu)在通風(fēng)條件下的冷卻性能[3]。于浩、余志偉[6][7]等人針對堆頂組件冷卻系統(tǒng)進行流場分析，獲得了冷卻系統(tǒng)的流場分布，為冷卻風(fēng)量的設(shè)計計算提供了基礎(chǔ)。但堆頂?shù)耐L(fēng)冷卻方式，一方面能耗較大，另一方面無法保證絕對的安全可靠，因此基于堆頂結(jié)構(gòu)的自然對流循環(huán)冷卻方式被提出。鄒鵬[8]等通過CFD 分析方法，研究了當采用空氣自然循環(huán)冷卻方式時，CRDM群及各線圈的溫度分布，探索對CRDM群采用空氣自然循環(huán)冷卻方式的可行性。研究表明，依靠空氣的自然對流，可以對CRDM進行有效冷卻。

本文通過對堆頂結(jié)構(gòu)模型的建立，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，利用FLUENT 流體動力學(xué)（CFD）分析軟件，對自然對流狀態(tài)下的堆頂控制棒驅(qū)動機構(gòu)所圍區(qū)域內(nèi)的空氣流場進行三維模擬，分析堆頂流場、溫度場的狀態(tài)，重點分析影響驅(qū)動機構(gòu)、堆頂結(jié)構(gòu)件運行性能和使用壽命的局部熱點，為堆頂結(jié)構(gòu)件的長壽命可靠運行提供理論基礎(chǔ)。

1 模型建立

1.1 有限元模型的建立

全尺寸堆頂幾何結(jié)構(gòu)主要包括堆坑、圍筒和控制棒驅(qū)動機構(gòu)等部分，如圖1 所示。為提高計算速度，節(jié)省計算資源，同時保證計算結(jié)果的準確性，本文對驅(qū)動機構(gòu)模型進行了簡化處理：一是設(shè)置密封殼內(nèi)冷卻劑平均溫度為320℃，行程套管冷卻劑平均溫度為200℃；二是忽略耐壓殼內(nèi)部拆卸桿等結(jié)構(gòu)。如圖2 所示。

圖1 堆頂結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 控制棒驅(qū)動機構(gòu)簡化模型

利用ANSYS Meshing 對堆頂結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，按照計算區(qū)域內(nèi)各類型結(jié)構(gòu)的幾何形狀特征及其分布來執(zhí)行相應(yīng)的塊切分操作。如圖3、圖4 所示。其中，對于流體與固體換熱區(qū)域，流體采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。流體域網(wǎng)格最大尺寸為6cm，固體域最大網(wǎng)格為2cm，同時對部分典型區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。

圖3 流體域網(wǎng)格劃分

圖4 固體域網(wǎng)格劃分

1.2 材料物性

本文在進行全場三維模擬時，涉及到的主要物質(zhì)有空氣、線圈導(dǎo)線和各種結(jié)構(gòu)材料。在堆頂自然對流流場中，通過分析可知，空氣的密度變化導(dǎo)致的浮力效應(yīng)、固體結(jié)構(gòu)（含各種間隙）的熱導(dǎo)率是影響全場流動傳熱性能的關(guān)鍵因素。

（1）結(jié)構(gòu)材料

各種結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)如表1 所示。

表1 各種結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)

?

（2）空氣物性

如前文所述，在進行空氣自然對流流場計算時，空氣的密度大小是關(guān)鍵因素。在對流場進行求解時，涉及到穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種不同計算工況，對流場中流動的空氣密度將采用Boussinesq 模型進行計算，一方面為了能夠使計算更好地收斂，另一方面也確保了計算的準確性。

在動量方程中，為了考慮浮力的影響，則需要添加（ρ-ρ0）g 作為浮力項。在Boussinesq 模型中可表示為：

式中，β 為熱膨脹系數(shù)。T0為參考溫度，ρ0為參考密度。

在計算工況下，空氣的比熱容為1006.43J/（kg·K），粘度則按照Sutherland 公式求解，其表達式為：

式中，μ 為粘性，μ0是參考值，單位為kg/（ms），T 是流體溫度，T0是參考溫度，單位為K。S 是有效溫度，單位是K，也被稱為Sutherland 常數(shù)。

1.3 邊界條件

為準確求解CFD 問題，正確合理的設(shè)置求解的邊界條件是必要的。本文中，針對自然對流工況下的堆頂局部熱點分析計算，主要邊界條件有：

（1）控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）承壓殼的內(nèi)部邊界條件為第一類邊界條件；

（2）流體域與固體域的交界面和不同固體材料之間的交界面均被考慮成可導(dǎo)熱的熱耦合邊界；

（3）對包圍CRDM 群的空氣區(qū)域的頂部邊界，設(shè)為壓力邊界，其回流溫度為環(huán)境溫度，環(huán)境溫度為40℃；

（4）考慮圍筒內(nèi)表面與控制棒外表面的熱輻射效應(yīng)，固體內(nèi)部不考慮熱輻射換熱的影響；

（5）在運用FLUENT 進行模擬分析時，通過對線圈外側(cè)添加虛擬導(dǎo)熱厚度的方法，實現(xiàn)了該層壁面邊界條件的設(shè)置。

2 堆頂局部熱點分析及設(shè)計優(yōu)化

2.1 堆頂局部熱點分析

本文對不同穩(wěn)態(tài)運行工況下堆坑內(nèi)及堆頂區(qū)域的自然對流流場進行了模擬。分析了各穩(wěn)態(tài)運行工況下各堆頂結(jié)構(gòu)的溫度分布情況。主要計算工況如下：

工況1：全部控制棒驅(qū)動機構(gòu)按照全功率發(fā)熱進行計算，每臺驅(qū)動機構(gòu)按照10kW 發(fā)熱功率計算。

工況2：全部控制棒驅(qū)動機構(gòu)全保持工況進行計算。

圖5 和圖6 給出兩種穩(wěn)態(tài)工況下，堆頂結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的溫度場分布。兩種穩(wěn)態(tài)工況模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，由于工況1 中CRDM功率高于工況2，因此工況1 中不論是各線圈的最高溫度，還是堆頂各構(gòu)件的最高溫度，包括電纜橋、頂板、電纜托架、抗震板、抗震支撐板、圍筒以及電纜通道，均高于工況2。工況1和工況2 中圍筒溫度分布趨勢并不相同，由于工況1 中線圈功率高于工況2，磁軛圍筒的輻射傳熱量也高于工況2，因此工況1 中圍筒最高溫度分布于圍筒進風(fēng)口周圍，工況2 中圍筒最高溫度位于頂部與抗震支撐板接觸位置。

圖5 工況1 主要結(jié)構(gòu)溫度分布（K）

圖6 工況2 主要結(jié)構(gòu)溫度分布（K）

各堆頂結(jié)構(gòu)件局部最高溫度見表2 所示。

表2 部分堆頂構(gòu)件局部最高熱點溫度

2.2 堆頂局部熱點設(shè)計優(yōu)化

由于頂板、電纜橋及電纜托架溫度過高的一個原因是抗震板及抗震支撐板上存在很多流通區(qū)域，加熱的空氣直接流出，使得頂板、電纜橋及電纜托架這些電纜經(jīng)過位置處的溫度超過溫度限值。因此，本文提出將抗震板及抗震支撐板上的流通區(qū)域全部封閉，將圍筒上側(cè)變?yōu)橥耆忾]的結(jié)構(gòu)，使流經(jīng)圍筒內(nèi)部的熱空氣從圍筒側(cè)面出風(fēng)口流出，避免對頂板、電纜橋及電纜托架的直接加熱。顯而易見，封閉抗震板和抗震支撐板能夠有效減少頂板、電纜橋及電纜托架與熱空氣的接觸。因此，在本文中封閉抗震板和抗震支撐板以改變圍筒內(nèi)熱空氣的流出路徑。圖8 為本文提出的堆頂改進方案的幾何模型。

圖7 優(yōu)化前堆頂結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后堆頂結(jié)構(gòu)

為了對比優(yōu)化方案與原始結(jié)構(gòu)方案的性能，模擬中選取2.1節(jié)中工況作為對比工況。

（1）溫度場

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各堆頂結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖9、圖10 所示。為了進一步分析優(yōu)化后的方案對整個溫度場的影響，分別對不同工況下各堆頂結(jié)構(gòu)的溫度進行了分析，如表3 所示。對于同一工況下的堆頂結(jié)構(gòu)，由于優(yōu)化結(jié)構(gòu)后抗震板和抗震支撐板完全封閉，熱空氣不會如優(yōu)化結(jié)構(gòu)前直向上流通，因此，有效降低了頂板、電纜橋和電托架的溫度，使電纜經(jīng)過位置溫度降低至限值以下。

同時，抗震板和抗震支撐板的封閉，降低了堆頂內(nèi)的自然循環(huán)能力，各線圈溫度均有所上升，上升幅度在1-4℃；同時，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，熱空氣只能通過出風(fēng)口流出，圍筒上側(cè)空間內(nèi)熱空氣發(fā)生積聚，使得抗震支撐板、圍筒上側(cè)及電纜通道上側(cè)溫度升高，但電纜通道溫度依然保持在溫度限值以下。

圖9 優(yōu)化后工況1 溫度場分布（K）

圖10 優(yōu)化后工況2 溫度場分布（K）

優(yōu)化改進后各堆頂結(jié)構(gòu)件局部最高溫度見表3 所示。

表3 改進后部分堆頂構(gòu)件局部最高熱點溫度

（2）速度場

圖11 和圖12 分別展示了不同工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后縱向截面上的速度分布。由圖中所示結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的速度值要低于相同工況下優(yōu)化前的值，這也說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)降低了堆頂結(jié)構(gòu)局部熱點的溫度，但也降低了堆頂?shù)淖匀谎h(huán)能力，導(dǎo)致堆內(nèi)其他結(jié)構(gòu)的溫度略有升高，但溫度的升高值在可接受的范圍內(nèi)。

圖11 工況1 下的縱面速度分布（m/s）

圖12 工況2 下的縱面速度分布（m/s）

3 結(jié)論

本文通過對堆頂結(jié)構(gòu)模型的建立，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，利用FLUENT 流體動力學(xué)（CFD）分析軟件，對堆頂控制棒驅(qū)動機構(gòu)所圍區(qū)域內(nèi)的空氣流場進行三維模擬，得到以下結(jié)論：

（1）建立了堆頂全尺寸模型，完成了堆頂結(jié)構(gòu)有限元模型的建立于邊界條件的設(shè)置。

（2）完成了自然對流工況下堆頂局部熱點的分析，得出驅(qū)動機構(gòu)在全功率發(fā)熱時，局部最高熱點位于提升線圈處，而全保持工況下，局部最高熱點出現(xiàn)在保持線圈處。

（3）為降低堆頂頂板、電纜橋及電托架的溫度，保證電纜的使用環(huán)境，本文通過對堆頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進，進一步降低了堆頂電纜處的環(huán)境溫度，對電纜使用壽命的延長提供保障。