首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 核工业论文 > 核仪器仪表论文 > 三环路压水堆压力容器上腔室交混矩阵的数值分析

三环路压水堆压力容器上腔室交混矩阵的数值分析

2020-08-28 235 上传者：管理员

摘要：使用STAR-CCM+软件对三环路压水堆压力容器上腔室流场进行了大规模、精细化三维数值模拟，并采用组分跟踪方法分别对157个燃料组件出口冷却剂流动进行计算，构造了一个具有3×157个元素的“上腔室交混矩阵”，用该矩阵即可定量、精确地描述冷却剂从堆芯流出后，经上腔室内交混并再分配到各热管道的复杂流动过程。研究发现堆芯流出的冷却剂在压力容器上腔室内的交混是并不充分的，径向上不同位置燃料组件流出的冷却剂会在上腔室同热管道的接口区域存在明显的对应关系，而燃料组件径向功率分布的差异必然导致热管道中冷却剂热分层现象的产生。

关键词：
CFD
交混矩阵
压力容器上腔室
压水堆
数值模拟
加入收藏

在一回路主泵驱动下，冷却剂从堆芯不同燃料组件通道流出后经上堆芯板汇入压力容器（RPV）上腔室内，流动方向转折约90°后再分流进入各热管道中。因冷却剂本身流速很高，上腔室内控制棒导向桶组件和支承柱组件对其混合扰动作用有限，故从各燃料组件通道流出的冷却剂在上腔室内混合并不充分，进而在热管道中存在冷却剂热分层的现象[1]。

已有研究人员开展了针对压水堆RPV上腔室流场的可视化试验研究[2,3,4]，同时随着计算流体动力学（CFD）软件技术和计算服务器硬件技术的发展，更多研究人员开始采用CFD技术对RPV上腔室复杂三维流场、水力载荷等开展研究[5,6,7,8,9,10,11]，但已有关于RPV上腔室流场的研究内容仍主要集中在描述三维流动阻力特性、宏观描述流场温度场等方面，关于如何精确定量描述冷却剂在上腔室内流动混合特性方面尚未见公开文献。

本文使用STAR-CCM+软件，利用超算服务器对三环路压水堆RPV上腔室内流场进行大规模、精细化三维数值模拟，并采用组分跟踪方法分别对157个燃料组件出口冷却剂流动进行计算，构造了一个具有3×157个元素的“上腔室交混矩阵”，用该矩阵即可定量、精确地描述冷却剂从堆芯流出后，经上腔室内交混并再分配到各热管道的复杂流动过程。

1、数值建模

1.1 几何模型

三环路压水堆RPV上腔室近似为圆柱体，高度约为2.1m，内径约为3.4m，出口热管道内径约为0.75m。从堆芯157个燃料组件通道流出的冷却剂，主要分3个路径进入上腔室：(1)经上堆芯板孔直接进入上腔室；(2)先进入控制棒导向筒连续导向段，再从其4个侧面下部的方形窗口流出后进入上腔室；(3)经支承柱下端爪形支撑腿和上堆芯板之间空隙进入上腔室。

以上3个路径的冷却剂在上腔室内汇合后，再从RPV出口管嘴流入热管道。据此流动路线，本文构建如图1所示的三维计算域，选取堆芯157个燃料组件出口截面作为计算域入口边界，选取一回路3个热管道截面作为计算域出口边界，采用NX软件对构成上腔室内部流道的关键构件，如上堆芯板、控制棒导向筒组件（共计61组）、支承柱组件（共计40组），进行建模。对于上腔室下部流场影响较大的控制棒导向筒连续导向段、支承柱下端爪形支撑腿均进行精细化建模。

图1上腔室计算域几何模型

1.2 网格剖分

计算域中的几何尺寸跨度较大，控制棒导向筒连续导向段中C型管和双联管等结构的径向尺寸约为10mm量级，上腔室内径尺寸约为3000mm量级，相差约300倍，这对网格剖分策略提出了较高的要求。本文采用STAR-CCM+软件对计算域进行多面体网格剖分。每个多面体网格约有14个面，针对同一区域若采用多面体网格填充约相当于采用同样精度的四面体网格填充数量的1/5至1/4左右，在保证求解精度的前提下可极大提升计算效率。本文在网格剖分中设定全局基本尺寸为0.1mm，同时对几何尺寸较小的结构进行局部网格加密，并保持整体网格的增长比为1.3左右，最终多面体网格总数约为5662万（规模相当于约2.2亿至2.8亿个四面体网格）。

1.3 组分追踪

受到试验成本限值，已开展的上腔室交混试验一般是在上腔室模拟体入口处，只选择几个特定位置加入盐溶液示踪剂并在热管道上进行浓度测量，相对于全堆芯一百多个组件通道，这样得到的“上腔室交混矩阵”不完备。

本文采用组分跟踪方法，类似于试验中采用盐溶液示踪剂的效果，如图2所示，在上腔室数值计算中对每个燃料组件出口冷却剂分别进行组分追踪（共计设置157个组分），并统计每种标量组分在3个热管道出口边界上的流量份额，即可得到三环路压水堆精细化的“上腔室交混矩阵”。

组分流量份额形式为：

式中，xij-α为堆芯第i行、第j列位置的燃料组件在α热管道的流量份额，如第H行、第7列、第25°热管道的燃料组件的流量份额记作xH7-25°；mij为堆芯第i行、第j列位置燃料组件出口质量流量；mα为α热管道总的质量流量。

1.4 求解设置

计算域入口边界为堆芯157个燃料组件出口截面（图1），出口边界为一回路3个热管道，假设冷却剂为定物性不可压缩流体，一回路总流量中考虑扣除2%的上封头旁流。计算采用湍流模型（2层k-ε），并配合采用对壁面网格适应性更好的两层全y+壁面函数对上腔室三维流场进行数值模拟，采用二阶离散格式并调用64核CPU进行2000步的稳态并行计算，所有方程均收敛至5×10-6以下，计算中同时监测计算域进出口总压降、各出口边界处的组分流量份额等关键参数，以辅助判断计算收敛性，求解设置见表1。

图2燃料组件出口冷却剂组分追踪原理图

表1初始及边界条件的设置

2、计算结果分析

2.1 交混矩阵

图3分别给出了堆芯157个燃料组件出口冷却剂在25°、145°、265°热管道上的组分流量份额分布，这3张分布图共同组合成了三环路压水堆精细化的“上腔室交混矩阵”。若按照均匀分布，式（1）中α热管道的组分流量份额xij-α应为1/157，即均值应为0.64%，但实际上越靠近热管道出口位置的燃料组分流量份额越大，并随燃料组件出口位置同热管道距离越远而流量份额逐渐递减至0。组分流量份额>0的区域近似以热管道为轴呈扇形区域分布，25°热管道组分流量份额>0的区域有81个组件，145°热管道有78个组件，265°热管道有82个组件，3个环路对应的“流量份额>0的区域”内组件数量基本持平。

图3不同角度热管道对应的上腔室交混矩阵

进一步通过叠加3个环路的交混矩阵分布图，可将157个堆芯出口燃料组件分为5个特征区域，如图4所示，红色区域中有27个燃料组件，从该区域流出的冷却剂将只进入临近的25°热管道中；同理，145°热管道对应的黄色区域有29个组件，265°热管道对应的蓝色区域有28个组件。3个环路对应的“完全流入组件”数量基本持平。同时，在以上3个特征区域交界带还存在一个具有73个组件的“环路共有区域”，该区域又可进一步细分为2个子区域，即“2环路共有区域（灰色区域，共62个组件）”和“3环路共有区域（紫色区域，共11个组件）”，从该区域燃料组件中流出的冷却剂将不再单纯只进入某一个环路，而是同时流入临近环路中。

三环路压水堆堆芯为具有4个象限的1/4对称结构，而一回路为具有3个环路的1/3对称结构，“堆芯”和“环路”在结构本身上就具有对称不协调性，容易造成从堆芯流出的冷却剂无法等量分配至3个环路中去，通过以上对“上腔室交混矩阵”计算结果的分析可知，将出口管道轴线同堆芯对称轴成一定角度布置即可解决此对称不协调性问题。

2.2 组分分布

图4中A、B、C、D4个典型位置的燃料组件所对应组分在上腔室中的分布如图5所示。A组件位于“三环路共有区域（图4中紫色区域，共11个组件）”，该组件出口下游对应控制棒导向筒的连续导向段，同时该控制棒导向筒四周被其他堆内构件“包围”，各方向压力差异不大，故该组分冷却剂从控制棒导向筒流出后先向上腔室上部运动并发生交混，而后再转折流向热管道，并主要集中在管道上部区域。

B、C、D组件均位于“25°热管道独占区域（图4中红色区域，共11个组件）”，其中B和D组件出口下游均无上部堆内构件“阻挡”，即冷却剂经过上堆芯板孔后将直接进入上腔室中，但由于径向同25°热管道入口的距离差异，离得相对较远的B组件对应组分冷却剂会上冲到上腔室内更高位置进行交混，而后在转折进入管道上部区域；而离得相对较近的D组件对应组分冷却剂将由于压差作用来不及上冲而直接发生转折并进入下部区域。

同A组件类似，C组件出口下游也对应控制棒导向筒的连续导向段，但C组件相对A而言更靠近25°热管道入口，其两侧的压力分布更不均匀，故该组分冷却剂从控制棒导向筒流出后将更早发生流动转折，并主要集中在管道中部区域。

图4堆芯燃料组件出口特征区域

图5上腔室不同位置燃料组件出口冷却剂相对组分浓度

通过对A、B、C、D4个典型位置燃料组件流出的冷却剂组分分布进行分析，可知堆芯流出的冷却剂在RPV上腔室内的交混是并不充分的，径向上不同位置燃料组件流出的冷却剂会在上腔室同热管道的接口区域存在明显的对应关系，而燃料组件径向功率分布的差异必然导致从堆芯各位置流出的冷却剂温度分布的差异，进而也就导致了热管道中冷却剂热分层现象的产生。

3、结论与展望

通过对三环路压水堆一回路RPV上腔室内流场进行大规模、精细化三维数值模拟，并采用组分跟踪方法分别对157个燃料组件出口冷却剂流动进行计算，得到以下结论：

(1）通过构建上腔室交混矩阵，对上腔室内冷却剂交混后，再分配到各热管道的复杂流动过程进行了定量描述，并依此将157个堆芯出口区域分为3个环路对应“独占”区域和1个“环路共有区域”，“环路共有区域”可进一步细分为“两环路共有区域”和“三环路共有区域”。

(2）通过对A、B、C、D4个典型位置燃料组件流出冷却剂组分分布分析可知，堆芯流出的冷却剂在RPV上腔室内的交混是并不充分的，径向上不同位置燃料组件流出的冷却剂会在上腔室同热管道的接口区域存在明显的对应关系，而燃料组件径向功率分布的差异必然导致热管道中冷却剂热分层现象的产生。

参考文献：

[2]于平安,沈秀中,杨冠岳.压水堆上腔室芯部结构改进的流场研究[J].核科学与工程,1997,17(2):103-109.

[3]沈秀中,于平安,杨冠岳.两种上腔室芯部结构的流体力学研究[J].工程热物理学报,1998,19(1):58-61.

[4]李华奇,胡俊.反应堆流场分布优化实验研究和理论分析[J].核科学与工程,2002,23(2):43-58.

[5]朱丽冬.压水堆上腔室流场的分析和计算[J].核科学与工程,1985,5(1):34-39.

[6]汪晓林,朱丽冬,高际运.压水堆上腔室模拟体三维流场分析[J].核动力工程,1995,16(3):231-236.

[10]张明乾,冉小兵,刘言午,等.CPR1000反应堆三维数值模拟分析及验证[J].核技术,2013,36(10):1-6.

[11]黄禹,魏婷,李炳文.两环路压水堆上腔室数值模拟[C].第十四届全国反应堆热工流体学术会议暨中核核反应堆热工水力技术重点实验室2015年度学术年会,2015.