反應堆下腔室流量分配裝置結構流場分析

王 鵬，于曉雷

（華龍國際核電技術有限公司，北京 100089）

0 引言

反應堆下腔室流量分配裝置位于反應堆壓力容器底部與堆芯下板相連接。反應堆冷卻劑首先從反應堆壓力容器進口段進入反應堆壓力容器內壁與堆內構件吊籃筒體外壁面所形成的環(huán)腔下降段，經過堆芯筒體段然后流入反應堆下腔室底部進行交混，通過流量分配裝置進行流量分配，最后從堆芯下板流入堆芯帶走燃料組件的熱量。反應堆冷卻劑在流入下腔室后發(fā)生的冷卻劑交混特性、堆芯入口流量分配特性及下腔室內部壓降等都是反應堆熱工流體設計研究的重要內容。

羅磊[1]等對不同環(huán)腔厚度和環(huán)腔內冷卻劑速度條件下，下腔室內冷卻劑流場進行了計算；張宏亮[2]等對3 種不同下腔室流量分配結構進行流量計算，得出采用橢球形的流量分配結構比筒狀結構的流量分配更加均勻；張明乾[3]等通過建立CPR1000 壓力容器內的整體流體域模型，獲得了壓力容器內各段壓降、導向筒和支撐柱水力載荷等特性參數；郭超[4]等對最下腔室進行了最佳估算流量下的穩(wěn)態(tài)計算，獲取了相關的流動參數數據，但其下腔室模型結構未帶有進口完整邊界條件；趙偉[5]等通過對比百萬千瓦級國產化二代改進型壓水堆（CNP1000）、百萬千瓦級先進非能動型壓水堆（AP1000）及歐洲先進壓水堆（EPR）3 種堆型反應堆下腔室結構，結合華龍一號自身下腔室結構特點，提出流量分配裙新型結構，共提出4 種結構優(yōu)化方案，最后提出采用流量分配板的結構更適合華龍一號；黃雷[6]建立了完整的帶有冷卻劑進口邊界、堆芯的反應堆下腔室結構模型，并對壓力容器冷卻劑的分布、下腔室各部件壓降、冷卻劑交混等進行分析；姚朝輝[7]等采用有限體積法和RNG k-ε 湍流模型對壓水堆環(huán)腔及下腔內的三維冷卻劑流動進行了數值模擬，結果發(fā)現從環(huán)腔進口到堆芯內殼之間間隙減小，但壓力劇升，在環(huán)腔軸向存在系列渦柱，這些渦柱在到達下腔室后慢慢混合均勻；于浩[8]等通過運用CFD 分析工具對反應堆內的流場分布進行數值模擬，結果表明采用CFD 進行模擬式是可行的；羅磊[9]分析了環(huán)腔厚度和環(huán)腔內冷卻劑速度對下腔室流向堆芯的流量分布的影響，表明入口速度不同或環(huán)腔厚度不同，在下腔內冷卻劑流動形成漩渦的位置、大小和流動速度均會發(fā)生改變，導致通過流量孔板通孔的流量分布不同。研究與上述最大不同之處在于，下腔室流量分配裝置結構采用半球形結構和在此基礎之上進行假設的階梯形流量分配裝置。

為全面了解反應堆下腔室設計的內部流動特性，以及為后面的流量分配裝置的結構設計提供合理的反應堆下腔室流場數據，建立了完整的反應堆下腔室結構模型。利用ANSYS Workbench中FLUENT 程序，并采用RNG k-ε 湍流模型對完整的反應堆下腔室進行穩(wěn)態(tài)計算，最終得到了冷卻劑在完整的反應堆下腔室模型中的流場及壓力場等計算結果。計算結果為合理設計下腔室流量分配裝置提供相關驗證數據，并為裝置結構優(yōu)化設計提供可靠的數據支撐。

1 下腔室結構簡述

反應堆下腔室是由反應堆壓力容器的下封頭與堆內構件的流量分配裝置和堆芯下板所之間所形成的空腔區(qū)域。其中流量分配裝置是為對流入下腔室的冷卻劑進行首次的流量平均分配和阻止反應堆冷卻劑在進入堆芯前產生渦流，渦流的產生將會損失反應堆冷卻劑由下腔室進入堆芯的動能。反應堆冷卻劑從反應堆壓力容器進口管嘴進入反應堆壓力容器，經反應堆堆芯吊籃筒體和反應堆壓力容器的內壁之間形成的環(huán)腔向下流入下腔室，反應堆冷卻劑在通過流量分配裝置前后，分別進行交混和流量分配，再經下腔室的堆芯下板（即堆芯入口）向上流入堆芯，最后從壓力容器出口流出。

2 下腔室結構計算模型

2.1 幾何模型

只針對于華龍一號反應堆的半球形流量分配裝置和基于此基礎之上提出的另一種新型階梯形流量分配裝置結構進行數值模擬計算反應堆下腔室的流動特性，并對反應堆下腔室進行綜合流場流動特性的對比分析。

為完整模擬下腔室的流動特性，下腔室流場模擬計算分析的幾何模型不僅包括下腔室模型，還要加入反應堆冷卻劑從反應堆壓力容器進入反應堆下腔室的進口模型和從反應堆下腔室流入堆芯的出口模型。從下腔室的幾何結構模型來看，在橫縱方向為幾何對稱結構，可以建立1/2 的結構模型進行流場模擬，但在下腔室的流場分析中要考慮到可能存在局部渦流對整體流場的流動帶來的擾動，完整的幾何結構模型可以減少流場計算不必要的誤差。因此需要建立帶有進口段、環(huán)形下降段、堆芯筒體段、反應堆下腔室、堆芯入口段的完整下腔室流體域幾何結構模型（圖1）。針對下腔室流量分配裝置兩種結構進行下腔室流場模擬分析反應堆冷卻劑在下腔室的流速、壓降和流量分配情況。圖1 所示為兩種完整的三環(huán)路反應堆壓力容器流體域幾何結構模型，圖1a）為下腔室流量分配裝置為半球形結構的壓力容器流體域幾何結構模型，圖1b）為下腔室流量分配裝置為階梯形的壓力容器流體域幾何結構模型。

2.2 網格劃分

應采用不同格式的網格劃分方式，對完整的反應堆下腔室流體域模型的不同結構區(qū)域進行網格劃分。對于壓力容器進口段及堆芯筒體段、堆芯入口段部分流體域模型采用六面體網格劃分形式；對于環(huán)形下降段和反應堆下腔室部分，采用對復雜幾何模型有更好的適應性的四面體網格對下腔室進行網格劃分。網格初始劃分最小尺寸以反應堆冷卻劑從堆芯下板進入堆芯的流量分配孔的最小尺寸為依據，為了獲取優(yōu)質的完整反應堆下腔室模型網格，根據所具備的計算能力和網格初始化計算后的對比，最終模型的網格劃分選定為平均網格尺寸為20 mm，劃分后采用半球形流量分配裝置的完整反應堆下腔室流體區(qū)域的網格總數為34 223 389 個，平均網格質量（Element Quality）為0.86，平均雅克比率（Jacobian Ratio）為1。采用階梯形流量分配裝置的完整反應堆下腔室流體區(qū)域的網格總數為31 347 728 個，平均網格質量（Element Quality）為0.82，平均雅克比率（Jacobian Ratio）為1.04；圖2、圖3 為反應堆下腔室各區(qū)域流體的網格劃分情況。

圖2 進口段及環(huán)形下降段、堆芯筒體段網格劃分

圖3 堆芯入口段及下腔室網格劃分

2.3 計算條件與邊界條件設置

應在最佳估算流量條件下，對FLUENT 計算模型進行邊界條件設置，并假設反應堆冷卻劑為不可壓縮單相流動。將每條環(huán)路的最佳估算流量25 450 m3/h 換算成垂直于進口的速度邊界，溫度為293 ℃，由于冷卻劑從壓力容器進口到堆芯入口的過程中溫度變化較小，故不考慮溫度變化。出口設置壓力邊界條件，背壓設置為15.5 MPa，計算模型在FLUENT 中選取RNG k-ε 模型，所有壁面為無滑移光滑絕熱壁面，收斂殘差標準值設為10-4。

3 模擬計算結果分析

3.1 下腔室流場

半球形流量分配裝置和階梯形流量分配裝置的反應堆下腔室流場模擬計算中流場的分布情況如圖4、圖5 所示。如圖4a）、圖5a）所示反應堆冷卻劑從冷管段進入壓力容器，由于進口速度大，冷卻劑首先直接撞擊吊籃壁面分散成濺射旁流和直接沿著吊籃壁面流動的兩股流體，向下通過環(huán)形下降段流入反應堆下腔室；如圖4b）、圖5b）所示從環(huán)形下降段流下的冷卻劑受到反應堆壓力容器中8 個對稱排布的徑向支撐件阻擋，被分成八段流入反應堆下腔室；如圖4b）、圖4c）所示由于反應堆壓力容器與半球形流量分配裝置之間的流道間隙均勻且半球形流量分配裝置靠近壓力容器底部，則會抑制形成漩渦的大小，且冷卻劑從環(huán)形下降段流入反應堆下腔室底部受到流量分配裝置的阻擋，大幅減少冷卻劑在下腔室交匯時所產生的的動能。冷卻劑速度明顯下降，且冷卻劑在流入反應堆下腔室底部后，流速由中心位置向外擴散逐漸減小，由3 個進口流入的冷卻劑在反應堆壓力容器底部混合形成螺旋上升的一個順時針小漩渦，最后在球形流量分配裝置的作用下穩(wěn)定流入堆芯下板與球形流量分配裝置所組成的流量分配室中，完成冷卻劑流量的第一次分配。最后冷卻劑經由堆芯下板中的流量孔流入堆芯，完成第二次的流量分配，如圖4c）所示明顯的發(fā)現冷卻劑在進入堆芯后，靠近中心兩側的區(qū)域的流速略微高于其他區(qū)域，其他區(qū)域流速基本一致。

圖4 半球形流量分配組件下腔室三維流場

圖5 階梯形流量分配組件下腔室三維流場

如圖5b）、5c）所示由于階梯形流量分配組件和反應堆壓力容器在底部所形成的空間過大，造成冷卻劑在進入下腔室底部后，在階梯形流量分配組件外圍的下方形成3 個區(qū)域的漩渦，反而增大了冷卻劑在下腔室的整體動能，導致冷卻劑在受到流量分配組件的阻擋進入流量分配室中時，冷卻劑的流速依然很大，階梯形流量分配組件外圍的冷卻劑流速雖然在漩渦的影響下速度過大，但是在經過流量分配組件的結構影響下，階梯形流量分配組件對于外圍流速的抑制明顯大于中心流速的抑制；如圖5c）所示明顯發(fā)現冷卻劑在通過階梯形流量分配裝置流入分配室中后，中心組件區(qū)域的流速明顯高于外圍組件區(qū)域的流速，最后導致冷卻劑通過堆芯下板進入堆芯后中心區(qū)域的流速明顯高于兩側。

3.2 堆芯流量分配

根據177 堆芯入口流速計算結果進行堆芯歸一化流量分配處理，冷卻劑在進入堆芯組件前，會在堆芯燃料組件基座下方發(fā)生橫向交混，為了保證堆芯歸一化流量分配因子的合理性，故將取樣平面設置在堆芯下板的出口處。最終半球形流量分配組件下腔室177 個堆芯入口的歸一化流量分配因子如圖6 所示，發(fā)現整體的流量分配、分布比較均勻，在圍繞中心組件的環(huán)形區(qū)域的流量分配高于兩側及其他區(qū)域，造成此結果的原因是下腔室底部中心位置有大漩渦的形成，中心位置冷卻劑進入分配室中的流速高于兩側，半球形流量分配組件中心位置距離堆芯下板最遠，導致中心組件形成一個環(huán)形高于其他區(qū)域的流速帶。為了進一步的分析堆芯的流量分配情況，將177 個堆芯入口進行歸一化處理，結果如圖7 所示。

圖6 半球形流量分配組件下腔室出口流量分配因子

圖7 半球形流量分配組件堆芯歸一化流量分配

最終階梯形流量分配組件下腔室177 個堆芯入口的歸一化流量分配因子如圖8 所示，發(fā)現中心組件的流量分配明顯高于外圍組件區(qū)域，并且流量分配因子由外圍向中心區(qū)域逐漸遞增，造成此結果的原因是階梯形流量分配組件的結構為梯形結構，其直徑由冷卻劑進入下腔室的流動方向逐漸減小，導致階梯形的流量分配組件對外圍冷卻劑進入堆芯的流速抑制明顯大于中心區(qū)域。為了進一步的分析階梯形流量分配組件對于堆芯的流量分配情況，依然將177 個堆芯下板的出口進行歸一化處理，結果如圖9 所示。

圖8 階梯型流量分配組件下腔室出口流量分配因子

圖9 階梯形流量分配組件堆芯歸一化流量分配

3.3 下腔室壓力分布

反應堆冷卻劑由進口段進入反應堆壓力容器，經由下腔室最后由堆芯下板流入堆芯，在其過程中受到反應堆壓力容器徑向支撐件和流量分配裝置、堆芯下板的結構影響，導致各個位置的壓力沿著流動方向不斷減小。為了研究冷卻劑的流動阻力，沿著流動方向取4 個典型截面進行分析：反應堆壓力容器進口（截面1）；8個徑向支撐件上表面（截面3）；堆芯下板下表面（截面2）；堆芯下板上表面（截面4）即堆芯入口。球形流量分配組件反應堆壓力容器各界面靜壓計算結果如圖10 所示，階梯形流量分配組件反應堆壓力容器各界面靜壓計算結果如圖11 所示。

圖10 半球形流量分配組件各截面靜壓計算結果

圖11 階梯形流量分配組件各界面靜壓計算結果

冷卻劑經過4 個截面的靜壓壓降通過個截面的壓力差求出，下腔室內部壓降數據見表1。由表1 中可以看出，冷卻劑在由反應堆壓力容器進口流入，從堆芯下板流出的過程中，半球形流量分配裝置結構的總靜壓壓降為179.5 kPa，階梯形流量分配裝置結構的總靜壓壓降為165 kPa。經由下腔室的壓降最大，即冷卻劑從8 個徑向支撐件上表面流入堆芯下板下表面（截面2—截面3）總壓降最大。

表1 下腔室內部壓降kPa

4 結束語

（1）通過FLUENT 合理分析計算兩種流量分配組件的結構，在冷卻劑進入堆芯發(fā)生流量分配的情況，并可為后續(xù)反應堆堆內構件設計提供依據。計算結果表明，半球形流量分配組件結構使得冷卻劑出口的流量整體分配均勻，最佳估算流量下的堆芯歸一化流量分配因子介于0.92～1.11，流量分配由中心組件向外圍組件逐漸遞減；而階梯形流量分配組件結構的堆芯歸一化流量分配因子介于0.827～1.349，中心組件與外圍組件的流量分配不均勻，最終表明半球形的流量分配組件在反應堆下腔室的流量分配上比階梯形流量分配組件更均勻。

（2）冷卻劑從反應堆壓力容器進入，并從堆芯下板流入堆芯這一過程中，下腔室的流體流動產生最大壓降。