VVER 型反应堆上腔室及热腿三维流动传热特性研究

2022-10-25秋穗正王明军

核科学与工程 2022年4期

陈静，秋穗正，王明军，黄鹏

（1. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049；2. 西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安 710049；3. 江苏核电有限公司，江苏连云港 222042）

VVER 型反应堆压力容器内布置众多的堆内构件，上部的保护管组件和吊篮形成的流道复杂，且堆芯出口不同燃料组件温度和流速存在差异，冷却剂在上腔室内流动传热的三维效应显著且具有其特殊性。在运行过程中发现，由于热分层的存在，布置在环路热腿同一截面的数个热电阻温度测量值出现明显的差异，平均后获得的热腿温度并不能准确反映其真实值。由此导致根据一回路热腿平均温度计算的反应堆热功率较利用二回路参数得到的值偏低，进而影响堆芯物理参数计算的准确性，不利于机组状态的监测。热腿热分层现象及功率计算偏差为国内外此类电站运行普遍存在的问题。有必要开展VVER 型反应堆上腔室及热腿热工水力特性三维数值模拟，对反应堆的运行监测提供一定的理论依据。

国内外一些研究者采用三维方法分析了压水堆上腔室内冷却剂的流动传热[1]。Smith[2]通过三维计算发现热腿内局部存在反向旋涡流动并评估热分层的影响。Saunin 等[3,4]对俄罗斯VVER-1000 电站压力容器内部件进行三维建模和分析。Martinez 和Galpin[5]采用STAR-CD 软件模拟了EPR 压水堆内部构件和相应管路，研究热腿中冷却剂详细的三维流动。Böttcher 和Krüßmann[6]使用CFX 程序重点分析了VVER 反应堆压力容器内冷却剂的混合情况。王连法等[7,8]对比了三类反应堆上腔室和热腿内的流场和温度场分布。Chiang 等[9]和Wu 等[10]研究了同一电站上腔室和热腿内冷却剂的流动传热特性。晁嫣萌等[11]进行了CPR1000 压水堆内构件的整体建模和三维热工水力分析。此外，多个研究机构开展了一些国际项目和基准题研究[12-18]，旨在验证三维CFD 程序对压水堆内冷却剂混合流动模拟准确性。

针对VVER 型反应堆上腔室内构件和热腿进行三维建模的研究很少，缺乏对其内部详细的三维流动传热特性的分析。本研究采用三维CFD 程序建立VVER-1000 型反应堆上腔室和热腿真实结构较精细的模型并开展数值计算，获得冷却剂在不同部件内详细的流场和温度场分布。在此基础上，关注局部的流动细节和传热特性，分析热腿热分层的程度并揭示其影响因素。

1 建模及计算

1.1 几何及网格建模

VVER-1000 型反应堆一回路包括 4 条环路，主要由冷腿、压力容器、堆芯吊篮、堆芯不同类型组件、堆芯围板、保护管组件、上部组件以及热腿等构成。冷却剂由冷腿向下进入压力容器和吊篮之间的下降段后折为向上的流动，并通过吊篮下部开孔流入组件下管座。经棒束区域和组件上管座后沿保护管组件下板的狭窄流道进入保护管之间的间隙，再依次通过保护管组件外围壁面和堆芯吊篮侧面的孔道，最终流入热腿。冷热腿内的冷却剂由隔流环分隔。图1 示出了所建立的上腔室及热腿流体域几何模型剖面。将整个建模区域划分为4 大子域并进行装配：

（1）燃料组件棒束区上部和上管座；

（2）堆芯围板以上的空间和保护管组件内部（包括壁面开孔）；

（3）保护管组件和吊篮之间的流域；

（4）吊篮壁面开孔和其外侧流道以及热腿。

整个上腔室内部结构复杂，在尽可能详细模拟的前提下，综合考虑模拟精度与计算能力，对计算域作出以下简化假设：

（1）堆芯围板内的流道以及围板和堆芯组件外缘的间隙流通面积小，冷却剂流量仅占总流量的0.7%，对计算结果的影响很小，故略去由这些部件流出的冷却剂；

（2）由于燃料棒数目众多且上管座几何复杂，其流动细节对于所关注结果影响较小，采用多孔介质模型处理组件上部棒束区和上管座；

（3）保护管组件下板几何非常复杂，上侧和底部分别插入大量的保护管和组件上管座，在其余的间隙里布满近似三角形的冷却剂流道。这些流道与固体面的间距最窄处仅几毫米，其局部的流动并不显著影响计算结果但模拟需巨大的网格量，且容易造成质量差的网格。因此，根据流通面积相等的原则将下板的流道进行适量的简化，避免非常狭小的缝隙出现；

（4）不考虑上腔室内分布的54 个中子 - 温度测量管，其直径仅13 mm，相比整个计算域尺寸很小。对上腔室和热腿其余结构进行精细的建模。图2 为所建立的保护管组件及壁面开孔流体域几何模型，其外围圆柱面和斜锥面上总共开28 排近3 000 个开孔且排布不规律，并未沿周向均匀分布。对这些开孔均进行实体建模以获得详细的模拟结果。

由于几何结构复杂且并不具有对称性，不同计算子域流道形状差异较大，且模型最大尺寸为米的量级，而最小间隙仅约7 mm，故采用非结构化四面体网格类型针对上腔室及热腿生成一体化网格。各子域交界面处网格一一对应，避免了拼接不同类型网格时因网格大小的差异而引入的计算偏差。如图3 所示，在保护管组件下板流道间隙及其壁面开孔等尺寸较小的区域进行网格加密，疏密程度不同的网格平缓过渡以有利于计算收敛性。建立三套网格数分别为2 172 万、2 686 万和3 164 万的模型，开展网格敏感性分析，获得的热腿长度L=3.2 m 截面处点位置的冷却剂温度值分别为596.83 K，597.15 K 和597.27 K。后两套网格的结果相差很小，故最终采用第二套网格，网格质量0.156 以上。

1.2 计算条件及方法

采用三维CFD 程序FLUENT 开展额定运行功率下上腔室及热腿三维数值模拟。由试验台架结果可知，VVER-1000 型反应堆冷却剂在通过组件棒束区较短距离后流速很快趋于均匀[19]，故将整个计算域的入口置于组件活性区上部的棒束横截面。分别设置163 根燃料组件出口面的流速值，总流量为15 551.7 kg/s。根据电站机组实测的堆芯功率分布，由流量分配模拟结果[20]可计算各组件出口平均温度值，并设为模型边界条件，如图4 所示。4 条热腿的最下游横截面为出口压力边界条件。固体壁面均假设为无滑移和绝热。冷却剂水的密度、导热系数和比热容等物性均随温度变化，且在轴向（z轴）设置重力。由于对旋转流模拟的优势，采用Realizablek-ε湍流模型。设置SIMPLE 压力速度耦合算法，压力、动量和能量的离散格式均为二阶精度。当求解的各方程残差下降到设定值以下，并且监测的多个位置温度和质量流量等物理量稳定时认为计算收敛。

如图5 所示，采用多孔介质模型模拟复杂的燃料组件棒束区上部和上管座，忽略其详细的内部结构，仅建立六棱柱几何外形。由棒束区流出的冷却剂经组件上管座下板的开孔后，绝大多数流体沿截锥形框架隔开的流道流出，故将组件出口简化为6 个侧面，并与上部流域形成内部流通的交界面。上管座顶部的流体用于冷却控制棒而流量非常小，忽略其顶部结构，简化后的组件上部圆面为不流通的固定壁面。由几何结构参数计算得到的组件多孔介质的孔隙率约为0.526。燃料组件内冷却剂为流速高的湍流流动，多孔介质渗透率近似为0。根据压降的稳态设计值和表观流速等，获得多孔介质惯性阻力系数为29.663 3。由于组件内冷却剂的主流为轴向，将其余两个方向的流动阻力均设置为轴向的100 倍。

2 计算结果与分析

2.1 整体流场和温度场分布

图6 为上腔室及热腿纵向截面温度分布。由堆芯出口进入上腔室的冷却剂最大温差为31.4 ℃。最外围一圈的少量组件出口冷却剂温度最低，滞留于外侧的堆芯围板上部空间。温度最高的冷却剂分散在堆芯内的部分区域，首先流经保护管组件下板孔道，沿保护管壁面向上后偏径向流动，逐渐接近保护管组件的顶部。而后通过壁面的开孔进入吊篮上部并最终流向热腿。在此过程中，与两侧冷却剂相遇而最高温度降低到约599 K。其余温度较高的流体也由上腔室上部进入热腿，而另一部分较低温的冷却剂位于热腿下部。不同温度的冷却剂向热腿下游流动过程中相互搅混，削弱了初始时明显的热分层趋势。

图7 示出了同一截面的流速分布。堆芯出口冷却剂速度呈现外缘一圈燃料组件流速高而内部的部分组件流速最低的分布。外围的高速低温冷却剂一部分冲入堆芯围板上部，另一部分向上穿过保护管下板的孔道而进入保护管之间的流域，遇到外侧锥形壁面的阻挡后，大多数与其内侧的冷却剂共同沿保护管壁面下排开孔进入吊篮下部区域。堆芯流出的其余大部分冷却剂沿保护管组件间隙向上并折为径向流动，通过其壁面的上排开孔，将较高温度的流体带入了腔室上部。最高流速出现在沿热腿顶部倒圆角处。由图7 可知，热腿靠近吊篮最下排开孔处出现了少量的冷却剂倒流现象，小部分较高温流体向内流向开孔。

图 8 截取了热腿中心处的横截面温度分布。上腔室此截面内的冷却剂最大温差相比于堆芯出口处的减小了14.8 ℃，且总体上呈现最中心低而中部和外围部分区域高的趋势。约60°分散分布的较高温度的冷却剂由保护管组件壁面开孔流入吊篮内侧的空间后分别汇聚为显著的高温区。上腔室内的流体并未充分搅混，导致进入热腿的冷却剂存在温差。吊篮上部聚集的部分高温流体沿侧面流动，随后与下部流入的较低温度冷却剂在热腿入口处汇聚。

由图9 横截面流速分布可知，冷却剂以较高流速通过保护管组件壁面的大量开孔后，大多数通过4 条热腿附近的吊篮开孔直接进入热腿。远离热腿入口的小部分低速冷却剂受到压力容器壁面的阻挡后沿周向汇入主流。热腿上游两侧的冷却剂流速最高，约13 m/s。

2.2 局部流动传热特性

如图10 所示，截取热腿不同轴向位置L的截面温度分布进行分析。初始截面热分层最显著，温度较高的冷却剂占据热腿上半部，最大温差约13 ℃。随着冷却剂向热腿下游流动，截面温度不均匀性逐渐减弱，低温冷却剂由下半区域向中心扩散。距离热腿入口L=5 m 的截面高温区几乎消失，冷热流体分界线减弱，直至下游L=10 m 处截面最大温差减小到约3.3 ℃。由图10 可知，上游的截面上部温度分布呈现显著的绕热腿轴线顺时针旋转趋势，高温区流体沿右侧壁面向下流动，此后冷却剂相互搅混而温度趋于均匀分布。整个热腿壁面均会出现较高和较低温流体，故布置在热腿周向多个热电阻出现不同程度的温度差异。

图11 示出了热腿不同轴向位置截面速度矢量分布。除了沿轴向的主流外，热腿截面内出现了明显的径向和切向速度。初始L=0.3 m截面处冷却剂流速分布较复杂。冷热流体分别由上腔室的上部和下部汇聚到热腿入口，流通面积显著减小，流动方向和速度大小不同的冷却剂在此交混而使得初始时的径向和切向流速最高。由图11 可知，此时出现了两股显著的反向流动，上半部的高温流体顺时针旋转，与下半部逆时针流动的冷流体在分界处交汇。随着轴向距离的增加，L=3 m 处截面原本上半部的顺时针旋转完全变为沿圆周壁面，而下半部的逆时针流动已占据内部。随后逆时针旋转强度减弱，直至L=10 m 处截面流体均沿顺时针流动。由于径向和切向速度的存在，不同温度的流体向下游流动中不断混合而温差进一步减小。在此过程中，径向和切向流速也逐渐降低，直至整个截面速度分布较均匀。

为详细分析上腔室内冷却剂的局部热工水力特性以及对热腿温度场和流场的影响，截取保护管组件及吊篮壁面开孔的温度和流量分布。开孔均沿高度从上到下排序。如图12 所示，保护管组件上部的开孔冷却剂温度较高，最高温位于第8 排而并非最顶部开孔。下部开孔温度近似呈线性下降趋势，最下排开孔约582.8 K。正对热腿高度范围内的开孔均属于高温区，冷却剂平均温度约599.5 K。大部分冷却

影响热腿入口热分层的因素包括堆芯组件功率和流量差异以及保护管组件间隙和开孔的剂穿过保护管组件间隙到达上腔室上部高度，最顶部的4 排开孔流量较高，而第5 排流量显著降低。由于第6～10 排分别存在8 处直径大的开孔而流量增加，随后流量逐渐减小。堆芯外围部分高速冷却剂向上流动至第18 排开孔使其有所流量增大。最下部锥形壁面开孔冷却剂流量均较高，这是由于组件外围大多数流速较高的冷却剂均直接由这些孔通过，但距离热腿底部较远而对其温度场和流场影响不明显。流动搅混外，还包括吊篮开孔的冷却剂流动传热情况。图13 为吊篮壁面6 排开孔入口处的温度分布，整体呈现中部最高而下部低的趋势。4条热腿入口正对从上排列第3～5 排的开孔。如图14 所示为吊篮每一排开孔详细的温度值。最高温度出现在第3 排开孔，前4 排平均温度值均较高，而最下部的两排开孔温度大幅降低，显著影响热腿入口截面的热分层程度。由于位置低于热腿高度，第6 排开孔的低温冷却剂并未直接流向热腿，穿过开孔与其上侧的热流体混合后温度升高了约5.3 ℃，减小了热腿入口处的温差，但仍为热腿冷流体的来源。

图15 示出了吊篮壁面开孔入口冷却剂流量。由于保护管组件壁面同一高度处布置少量大直径孔道，第4 排吊篮开孔在对应位置出现两处流量峰值。除最上排开孔流量最低外，其余吊篮壁面开孔流量差异不大。所有开孔流量均呈现较规律的波动分布，正对热腿的开孔流量较大，冷热流体分别沿上下两侧直接流入热腿。离热腿较远的冷却剂受压力容器壁面的阻挡后折向热腿入口，流动路径的增加使其搅混程度有所增强。