压水堆下腔室水力特性数值研究

杨洪建，陈德峰，李 铮，李言瑞

(1.哈尔滨工程大学，核安全与仿真技术国防重点学科实验室，哈尔滨150001;2.武汉第二船舶设计研究所，武汉430064)

国内外学者对于下腔室的相关研究主要采用数值模拟和热工水力实验[1－5]两种方法.相对于热工水力实验的方法，数值模拟具有成本低、速度快、更为接近实际模型等优点，因此采用计算机进行计算分析已经成为了一种被广大学者所认可的研究方法.Yvan Fournier、Christelle Vurpillot等[6]采用数值计算的方法研究了压水堆下腔室、环形下降段以及堆芯的流场分布.在建立了与实体模型尺寸相一致模型后，研究者在划分网格时采用了非一致的思想，整体划分了543 438个六面体网格，其中下腔室263 842个网格.采用非一致的思想能够使得下腔室网格数量大幅度下降，有利于计算.但是，这会给数据处理带来不便.并且采用非一致思想划分的网格，在计算时相邻两层网格差值为非连续的，计算数据可能产生误差.Ji Hwan Jeong、Byoung－Sub Han 等[7－10]，在采用 CFD 方法对下腔室进行研究时，为了减化计算，对模型进行了简化，假设下腔室是中心对称的.因此，在研究时，选取了1/4的下腔室建立模型.但是，下腔室内部结构复杂极其不规则，不具有中心对称的几何特性.因此这一假设会给计算带来一定的误差.

本文以秦山二期压水堆电站作为研究对象，对其下腔室进行数值模拟.采用四面体网格划分方法进行网格划分，最终得到了下腔室内部的流场、压力场分布情况以及下腔室出口处的流量分配情况，并对结果进行了分析.

1 计算模型

1.1 几何模型

环形下降段部分结构简单，在建立模型时较为轻松.下腔室内部的结构复杂，主要包括以下几个部分:堆芯支撑板、径向支撑块、两层连接板、压力支撑缓冲器以及一些支撑柱、测量管等.下腔室内部结构复杂给建模带来了巨大的困难，为此需要对下腔室模型进行相关的简化.简化的基本原则为简化那些结构较为复杂，同时又对流场的影响较为小的一些部件.

依据该原则，对于下腔室内部的螺钉、螺母等一些小的部件不予以考虑;由于安全压力缓冲器对于流场影响相对较小，但是其结构复杂，会增加网格划分难度.它与下腔室壁面不相接触，而且两者间的间距很小，划分网格时，在这个位置会形成质量较差的网格，为此对压力安全缓冲器也不予以考虑.经过简化，最终建立了满足计算要求的下腔室模型，图1、2、3、4分别为环形下降段俯视图、下腔室俯视图、下腔室内部示意图以及两层连接板俯视图.

图1 环形下降段俯视图

图2 下腔室俯视图

图3 下腔室内部示意图

图4 连接板俯视图

1.2 网格划分

下腔室内部复杂的结构，给网格划分带来了巨大的困难.它主要体现在:

1)内部管路众多，而且管径大小不一;

2)两层连接板形状极其不规则，容易产生质量差的网格;

3)圆管与下腔室外壁面相交，产生不规则的截面.

考虑到上述情况，在对下腔室进行网格划分时，采用四面体网格.图5展示了下腔室网格分布情况.

饮食治疗要点：忌吃或少吃含胆固醇高的食物，如动物内脏、蛋黄、鱿鱼、墨鱼、鱼子等。应适量摄入含胆固醇不太高的食物，如瘦肉、鱼类和奶类。适当增加植物油，每月吃500g～750g植物油(豆油、玉米油、菜油等)比较理想。多吃蔬菜、瓜果，以增加纤维的摄入。多吃些有降胆固醇作用的食物，如大豆及其制品、洋葱、大蒜、香菇、木耳等。

图5 下腔室网格

对于环形下降段部分，由于其结构简单，因此采用六面体网格进行划分.图6展示了环形下降段网格分布情况.

图6 环形下降网格

1.3 下腔室网格无关性分析

对下腔室进行研究时，由于下腔室结构复杂，网格数量较多，因此划分了四种不同数量的网格进行网格无关性分析.在对这四种网格进行计算时，统一采用k–ε湍流模型进行计算，入口处速度都选取为2.2 m/s，相关的网格数据见表1所示.在四组网格计算精度达到后1×10－5，选取下腔室中心线处速度进行比较分析(见图7).从图7中可以看出，Case 2、Case 3、Case 4的结果较为相近，而Case 1与前三组相比存在较大差异.在考虑计算精度的同时还必须合理的利用计算资源，因此，Case 2是较为合理的一组网格.

表1 网格数据表

1.4 计算条件

计算过程中，流动的工质为水，假定为单相、不可压缩，温度为40℃，压力为0.5 MPa.工质的雷诺数数量级为，采用标准k－ε两方程湍流模型以及标准壁面函数进行相关计算.计算结果要求达到.

环形下降段入口处速度选取为5.81 m/s，环形下降段出口选定为压力出口0.5 MPa.下腔室入口处速度，采用环形下降段出口计算所得的速度进行赋值，下腔室出口选定为压力出口0.5 MPa.

2 计算结果与分析

2.1 流场分析

对于环形下降段以及下腔室流场分析主要采用流线图.图8展示了环形下降段流场分布情况.从图中可以看出环形下降段流场分布规律:流体从环形下降段的两个入口沿水平方向流入，再由水平方向的圆管中流出，然后会成放射状向四周流去.在这一过程中，由于流体速度较大，大部分流体会继续沿水平方向流动，这部分流体会撞击到环形下降段内壁上，然后向四周流去.由于内壁面成圆柱形，因此大部分流体会沿水平方向向两侧流动，最后受到重力的作用，流体向下流动，流至环形下降段出口.这一过程，使得流体在出口处分布出现不均匀的情况.在环形下降段两个入口的正下方出口处，流体流速较小;而在与之相距90°的位置，流体的流速较大.图9、10展示了下腔室流场分布情况(图10为图9旋转90°)，从图中可以看出下腔室流场分布规律:环形下降段两个入口正下方两个区域的流体流速较小，这两部分流体在进入下腔室后，未能流至下腔室底部，而是直接通过支撑板流向出口;在与环形下降段入口正下方区域的相距90°的两个区域，这两部分流体的流速较大，进入下腔室后继续流动直至下腔室底部.两部分流体在下腔室底部出现混合，由于两者流动方向相反，因此混合后的流体成倒八字形向上流动，依次通过两层链接板、支撑板，最终从出口处流出.

图8 环形下降段流场分布

图9 下腔室流场分布

图10 下腔室流场分布

2.2 下腔室压力场分析

图11中给出了下腔室所受压力分布情况.从压力分布图中可以看出，最大压力出现在两块支撑块及其附近壁面处.由于下腔室入口处流体分布不均匀，而且流体竖直向下流经支撑块会与之发生碰撞，因此下腔室入口流速较大区域下方的支撑块将承受最大的压力.对于下腔室内的若干圆管，从图12中可以看出，靠近下腔室底部的圆管，所受的压力较大，越往上所受压力越小.这是由于流体从下腔室底部流向出口时，由于受到若干结构的阻碍，流体流速逐渐降低的缘故.同样的道理，下层的连接板所受压力要大于上层的连接板.

图11 下腔室压力分布图

图12 下腔室内部圆管所受压力分布图

2.3 下腔室出口流量分析

流体从下腔室中流出后将会进入到堆芯中，因此下腔室对于堆芯起着流场分配的作用.由于堆芯的流动特性决定其换热特性，为了确保堆芯的安全，进入堆芯的冷却剂应当尽量的均匀.图13为下腔室出口处流场分布.

为了能更好的分析下腔室出口流量分配情况，根据堆芯燃料组件的分布情况，将下腔室出口的区域划分为三个部分进行分析，如图14所示.通过计算最终得到了在三个区域内单个燃料组件通道的平均流量，如图15所示.从图中可以看出下腔室出口处流量分布都满足同一规律:由中心至边缘，流量依次递减.

图13 下腔室出口速度分布

图14 下腔室出口区域的划分

图15 三个区域内单个燃料组件通道的平均流量

3 结论

本文对反应堆下腔室进行了模拟，并对计算结果进行了分析.研究结果表明:

1)下腔室部分最大压力出现在主要两块支撑块及其附近壁面处;

2)下腔室出口处流体流量分布遵循从中心至边缘依次递减这一规律.

以上的研究结论有待进一步分析验证，同时该结果为反应堆安全分析提供了一些经验，有一定的借鉴意义.

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