10 MW高温气冷堆90°弯头内氦气流动特性分析

王世明，封贝贝，任 成，杨星团，姜胜耀

（清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084）

10 MW高温气冷堆90°弯头内氦气流动特性分析

王世明，封贝贝＊，任 成，杨星团，姜胜耀

（清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084）

为了在10MW高温气冷堆中引入弯头传感器，通过实验和数值模拟的方法对90°弯头内流体的流动特性进行了研究，以实验获得的弯头内弧面和外弧面上的压力分布数据来对CFD模型计算的可信性进行评估，并应用验证后的CFD模型对高温气冷堆蒸汽发生器内90°弯头处氦气的流动特性进行数值模拟。通过对比实验数据和CFD模拟结果发现，实验结果与数值模拟结果基本趋于一致，90°弯头内、外弧面的压力呈现明显的不均匀分布现象，在弯曲角度α＝30°～50°之间，内、外弧面的压力差达到最大值并持续保持一段位置，k-ω模型能用于预测10MW高温气冷堆蒸汽发生器内90°弯头处氦气的流动特性。

10MW高温气冷堆；90°弯头；数值模拟；氦气

高温气冷堆由于具有良好的固有安全性以及较高的发电效率等优良特点［1－2］，在我国核电发展领域占据了举足轻重的地位，特别是10MW高温气冷堆（简称HTR-10）的成功建设和运行，标志着我国在高温气冷堆研发方面取得了突破性成果。具有良好化学惰性和热物性的氦气充当高温气冷堆一回路的冷却剂，其作用是将堆芯核裂变产生的能量经过一回路的循环传递给蒸汽发生器，实现能量的转移。因此，10MW高温气冷堆一回路氦气流量的准确测量对于反应堆热功率的计算以及核安全是至关重要的。但由于反应堆系统结构的限制以及测量环境的恶劣影响，许多流量测量方法皆不能适用于高温气冷堆一回路氦气流量的测量。

考虑到10MW高温气冷堆一回路在设计时会保留一些90°弯头结构以保证整个系统的完整性和紧凑性，特提出应用这些“天然”存在的特殊结构作为氦气流量监测的传感元件来进行氦气流量的测量。这种测量方法的原理是当流体流过90°弯头时由于离心力的作用，会在弯头的内、外弧面产生一个压力差，此压力差与流体的平均流速以及弯头的几何参数有着确定的关系，且具有良好的可靠性和复现性［3］。向高温气冷堆中引入弯头流量测量系统的优势非常明显，它利用了原本就存在于系统中的90°弯头来采集压差信号，未向系统中引入附加的节流阻力件（阻力件前后压差巨大，应力集中）以及其他复杂结构，从而在一定程度上减轻了一回路的应力集中现象，减小了附加的流动阻力损失，能使得高温气冷堆的安全性和经济性获得明显的提升。但从另一方面来说，90°弯头会对流体流动产生强烈的扰动，在弯头的上游和下游，速度场和压力场均会发生剧烈的变化，这对压力信号的采集和流量的准确测量是不利的。因此，有必要对10MW高温气冷堆中高温高压的氦气流动进行进一步的深入研究，以保证弯头传感器在氦气流量测量时的准确性和可靠性。

1 实验方法

本实验在自建的90°弯头循环回路上进行。为了采集90°弯头内、外弧面以及弯头进、出口附近区域的压力分布信号，实验回路的核心部件为一水平放置的、带有30个取压孔的90°弯头，其结构如图1所示。90°弯头内径Din＝96mm，弯头的平均弯曲半径R＝144mm，弯径比β＝R／Din＝1.5。为降低上游支管、阀门等结构对实验段处流场的影响，特在弯头进口处加装了长度L＝1m≈10Din的长直管段，以保证在进入90°弯头之前，流体的流动已达到稳态。同样，为使流体流出弯头后能恢复稳态流动，在弯头的出口处也加装了长度L＝1m≈10Din的长直管段。30个取压孔分别布置在弯头的内弧面和外弧面（弯曲角度α分别为5°、15°、22.5°、35°、45°、53°、58°、70°、85°）以及弯头进、出口附近（与进、出口端面的距离d分别为0.5Din、1.0Din、1.5Din）的位置。采用EJA110A-DLS5A-22NC型差压变送器对各取压口的压力信号进行采集，差压变送器精度为0.1%，并采用高精度温压实时补偿方案。实验回路的水流量通过控制变频泵的电源频率来进行调节，通过称重法来对质量流量进行校准，称重传感器的精度为0.05%。

图1 实验段结构简图及取压孔位置分布Fig.1 Schematic diagram of experimental section and distribution of pressure taps

通过实验的方法对90°弯头内不同流速情况下弯头内、外弧面的压力分布进行了研究，实验测量的参数主要包括系统压力、系统温度、各取压孔压差信号和称重信息。本实验的主要目的是研究流体在90°弯头内流动时的压力分布特性以及验证CFD模型的准确性和可靠性。实验在常温常压下进行，共进行7个工况的数据采集，经过温压补偿后，7个工况下由质量流量换算出的管内平均流速分别为0.57、1.08、1.63、2.18、2.68、3.22、3.58m／s。

2 CFD数值模拟

为获取90°弯头内更多的流场信息，同时验证CFD模型的准确性和可靠性，按照实验回路90°弯头的几何特征建立了3D模型用于数值计算。3D模型中弯头的几何特征与实验段的弯头完全相同，但由于采用均匀速度入口边界条件，无上游支管、阀门等结构的影响，管内流动较稳定，能在较短的距离内达到充分发展状态，为减小计算量，本文CFD几何模型的上、下直管段长度取为L＝8Din。实验结果和数值模拟结果证明，8Din的直管段能保证流动的充分发展。

为使计算结果更加准确可靠，借助ICEM CFD网格划分软件对计算域全部采用三维六面体网格单元进行了划分。在4种网格条件下对网格独立性进行了检验（表1）。

表1 网格独立性验证结果Table 1 Results of grid independence test

通过对4种网格条件下的初步计算结果进行比较发现，在弯头外弧面α＝45°处，采用细网格和超细网格时，两种网格条件下静压的相对偏差小于0.2%，完全满足工程误差要求。为减小计算量，采用细网格的方案对本文涉及到的几何模型进行网格划分。细网格方案在边界层处进行了细化处理，近壁第一层网格厚度为0.1mm，厚度增长率（从壁面开始的第n＋1层网格厚度与第n层网格厚度的比值，n≥1）设置为1.1。与此同时，考虑到弯头内部的压力变化较为剧烈，为进一步提高计算精度，捕获更多的流场信息，采用自适应网格法对计算域中压力梯度较大区域的网格进行了进一步的细化处理。

由于本文涉及的流速较低，且在常温常压下进行，故假设水在90°弯头内的流动是定常、绝热、不可压缩的。采用k-ω模型对实验条件下的7个工况分别进行了数值模拟，并将实验推算出的平均流速作为数值模拟的速度入口边界条件。计算工况的边界初始条件与实验工况完全一致。

CFD模型经验证后，重新依据HTR-10蒸汽发生器内的90°弯头结构搭建了3D模型，包括内径Din＝233mm、β＝R／Din＝1.5的90°弯头和长度均为L＝8Din的上、下游直管段。依据与前文相同的原则对计算域网格进行细化处理。工质为氦气，工作温度t＝250℃，工作压力p＝7.0MPa，氦气质量流量G＝6.86kg／s。

3 结果分析

3.1 实验结果与CFD计算结果对比

流体流经90°弯头的过程中，由于受到管壁的约束作用，流体沿着弯头作强迫圆周运动而产生惯性离心力，动量也会随之发生剧烈的变化［4－5］。离心力的作用使得流体对弯头的外弧面产生正向的挤压作用，而对弯头内弧面则产生负向的牵引作用，导致了弯头断面上压力的不均匀分布［6］。沿着弯头的弯曲半径方向，压力逐渐升高。

弯头内、外弧面的压力分布沿弯头弯曲角度α的变化呈现一定的规律。图2示出3个工况（流速v为0.5、1.5、2.5m／s）下弯头内、外弧面压力分布的实验结果和CFD计算结果。由图2可见，90°弯头内、外弧面压力分布的CFD数值模拟结果和实验结果符合良好。对于各工况下弯头外弧面上的压力分布，除弯头进口之前、出口之后附近区域的个别实验数据点与计算结果偏差较大外，在弯头区域（α＝10°～80°）的外弧面上实验值与计算值吻合得很好。而对于弯头内弧面上的压力分布，计算值总体上略高于实验值，吻合程度明显不及外弧面上的数据，尤其是在弯头进口之前、出口之后附近区域的个别测量点上，计算结果较实验结果高20%～30%左右。造成这一结果的原因主要是，相对于外弧面，内弧面的弧长较短，取压孔分布太过密集，角度定位的误差较大，同时取压孔之间会产生一定程度的相互干扰，导致取压结果受到一定的影响。与此同时，90°弯头的引入会诱导产生二次流以及边界层分离现象，这对测量结果的准确性也有较大的影响。

在弯头进口之前、出口之后的附近区域，实验值与计算值差别较大。这是因为弯头进口和出口通过法兰与上、下游直管段连接，制造过程中产生的误差使得接口处的管径和圆度存在误差，导致过渡不平滑，引起流动的扰动，使最终的测量结果误差较大。

总地来说，CFD计算结果能较好地模拟90°弯头内、外弧面的压力分布状况，这为应用数值方法研究高温气冷堆蒸汽发生器90°弯头内氦气的流动特性提供了依据。

3.2 氦气流动的数值模拟

应用经过验证的CFD模型对HTR-10稳态工况下蒸汽发生器90°弯头内的氦气流动进行了数值模拟。此工况下，氦气的温度t＝250℃，压力p＝7.0MPa，由此计算出氦气的密度ρ＝6.335kg／m3，动力黏度μ＝2.938× 10－5Pa·s［7］。

弯头不同截面上的压力等值线如图3所示。观察发现，压力分布的不均匀区域随着截面位置向下游的变化而逐渐增大，由内弧面区域逐渐向外弧面区域扩展。压力分布的不均匀性对压力测量的准确性有着直接的影响，这也是前文所述外弧面的压力测量值与计算值吻合程度好于内弧面的原因之一。弯头截面压力的不均匀分布，表现出压力与惯性力的平衡，而惯性力的大小与速度大小是相关联的。建立弯头内、外弧面的压力与弯头内氦气流速之间的关系，即可利用弯头传感器来测量高温气冷堆蒸汽发生器内氦气的流量。

图2 90°弯头内、外弧面的压力分布Fig.2 Pressure distribution on extrados and intrados of 90°elbow

从截面Ⅳ位置开始，内弧面附近区域逐渐形成两个对称的低压核心区。随着观测截面位置向下游的移动，核心区域逐渐扩大，且核心的位置由内弧面逐渐向外弧面移动。低压核心区是由弯头诱导的二次流引起的，其形态和尺度的发生、发展过程可间接反映出二次流的发生、发展过程。

图3 不同截面上的压力等值线Fig.3 Pressure contour of different cross-sections

图4示出由数值模拟方法得到的HTR-10蒸汽发生器弯头内、外弧面的压力分布。从图4可看出，弯头外弧面上的压力分布在弯头进口和出口附近变化较为剧烈，而在α＝20°～60°之间时，外弧面上的压力达到最大值，且变化非常平缓，表现出一定的稳定性。相较于外弧面，内弧面上的压力分布变化较为剧烈，变化的幅度也显著大于外弧面，且内弧面的压力在最低点时并未表现出良好的稳定性。内、外弧面压差分布曲线表明，在α＝30°～50°的区间内，压差达到最大值且变化平缓，压差最小值与最大值之间的相对误差小于1.0%，这对准确测量内、外弧面的压差，预测氦气流量是非常有利的，因为即使取压孔位置与理论值有所偏移，但由于其位置附近的压差较稳定，压力测量值仍可用于氦气流量的计算。

图4 氦气流经90°弯头时内、外弧面压力分布Fig.4 Pressure distribution of intrados and extrados of helium gas flowing through 90°elbow

4 结论

对90°弯头内的流体流动进行了实验研究和数值模拟，得到了弯头内、外弧面的压力分布数据，并应用验证过的CFD模型对HTR-10蒸汽发生器90°弯头内的流场进行了数值模拟，得到如下结论：

1）离心力的作用使得流体对弯头的外弧面产生正向的挤压作用，而对弯头内弧面则产生负向的牵引作用，导致压力在弯头截面上分布不均匀；

2）k-ω模型能对90°弯头内的流场进行比较精确的数值模拟，为研究高温气冷堆蒸汽发生器90°弯头内氦气的流动特性提供了依据，可作为开展相关研究的有力工具；

3）90°弯头内低压核心区是由弯头诱导的二次流引起的，其形态和尺度的发生、发展过程可间接反映出二次流的发生、发展过程；

4）在α＝30°～50°的区间内，弯头内、外弧面的压差达到最大值且变化平缓，这对准确测量内、外弧面的压差，预测氦气流量是非常有利的。

参考文献：

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WU Zongxin.The development of high temperature gas-cooled reactor in China［J］.Nuclear Power Engineering，2000，21（1）：39-43，80（in Chinese）.

［2］ 吴宗鑫，张作义.世界核电发展趋势与高温气冷堆［J］.核科学与工程，2000，20（3）：211-219，231.

WU Zongxin，ZHANG Zuoyi.World development of nuclear power system and high temperature gas-cooled reactor［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2000，20（3）：211-219，231（in Chinese）.

［3］ RUP K，MALINOWSKI L.Fluid flow identification on base of the pressure difference measured on the secant of a pipe elbow［J］.Forschung im Ingenieurwesen：Engineering Research，2006， 70（4）：199-206.

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［6］ 温良英，张正荣，陈登福，等.弯管内流体流动的模拟计算与实验研究［J］.计量学报，2005，26（1）：53-56.

WEN Liangying，ZHANG Zhengrong，CHEN Dengfu，et al.Numerical simulation and experimental test of the fluid flow in elbow［J］.Acta Metrologica Sinica，2005，26（1）：53-56（in Chinese）.

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Characteristics of Helium Gas Flowing through 90°Elbow in HTR-10

WANG Shi-ming，FENG Bei-bei＊，REN Cheng，YANG Xing-tuan，JIANG Sheng－yao
（Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of Ministry of Education，Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China）

In order to apply the elbow sensor in 10MW High Temperature Gas-cooled Reactor（HTR-10），both of experimental measurements and numerical simulation were utilized to research the fluid flow characteristics in a 90°elbow pipe.The experimental data about the pressure distribution on the intrados and extrados of the elbow were used for validating the credibility of the computational approach and then the helium flow characteristics in the 90°elbow of the steam generator of HTR-10were simulated with the verified CFD model.Both measured and predicted wall static pressure distributions of 90°elbow are in satisfactory agreement.The pressure on the intrados and extrados performs an asymmetrical distribution according to the numerical and experimental results，and the pressure difference approaches its maximum on the cross sections ofelbow arch between anglesα＝30°-50°.The main flow characteristics in the elbow of HTR-10can be successfully captured using CFD method.

10MW High Temperature Gas-cooled Reactor；90°elbow；numerical simulation；helium gas

TL334

：A

1000-6931（2015）04-0634-06

10.7538／yzk.2015.49.04.0634

2014-01-20；

2014-09-23

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20130002120015）；摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目（SKLTKF12B16）

王世明（1988—），男，湖

北竹溪人，博士研究生，核能科学与工程专业

＊通信作者：封贝贝，E-mail：fengbeibei＠tsinghua.edu.cn