堆芯下腔室CFD流量分配优化研究

王玮

【摘 要】对传统的堆芯下腔室流量分配进行CFD模拟分析，得到一般传统流量分配板的流型及流量分配的位置规律，优化下腔室流量分配板结构，改善了流量分配孔的位置及对应尺寸，进行相关敏感性分析计算，得到了更展平的流量分配方案，提高了堆芯热工安全，为后期热工的研究分析提供了更好的条件。

【关键词】下腔室；流量分配；分配板；敏感性分析

【Abstract】The traditional core lower chamber flow distribution was analyzed by CFD simulation ， getting the conventional flow distribution plate flow pattern and the location of the flow distribution rule，the structure of lower chamber flow distribution plate was optimized，and improving flow allocation of hole position and size，the sensitivity analysis and calculation was completed，more flattening flow distribution scheme were got，by all of these above，the core thermal safety was improved，and the work provides a better condition for the study of the thermal analysis.

【Key words】Lower chamber；Flow distribution；Distribution board；Sensitivity analysis

0 前言

流量分配对于反应堆堆芯热工安全及结构一直都有至关重要的影响，从传统发展的轻水堆到如今发展的各种先进堆型，都需要进行研究分析。而一体化压水堆其部件主要由反应堆压力容器、反应堆冷却剂泵、燃料组件及相关组件、控制棒驱动机构、堆内构件、直流蒸汽发生器等结构及设备所组成，堆芯结构复杂，变化因素较多，而且部件都是固化在压力容器内部，后期不易维修或更换，因而前期就需要结构固化从而完成整个分析研究工作。冷却剂由主泵驱动，通过压力容器主泵接管向下进入下降环腔，通过下封头后折向向上流动，进入堆芯，而此时需要进行理论分配的计算分析，校核流量分配不均匀因子是否满足要求，并且对现有传统的流量分配板进行一定优化完善，以改善现有的流量分配，满足相关热工安全要求。

1 传统流量分配板分析

堆芯燃料组件拟采用截短式CF2燃料组件，针对反应堆堆芯入口流量分配特性进行了计算分析，本文开展了如下方案的分析评价，以期获得合理可行的下腔室优化结构，传统方案如下所示：

流量分配半椭球方案：在堆芯下板下部紧固一半椭球状薄板，板上开孔若干，如图2所示。半椭球外径φ2090，板厚25mm，均匀开φ50孔共461个，孔间距80mm。

2 计算方法

本文运用CFD方法对三种采用优化下腔室结构的反应堆下腔室流场进行计算分析。首先采用UG进行计算域几何建模，然后运用ICEMCFD对计算域进行网格划分，最后运用CFX进行计算求解。

2.1 几何建模

图1给出了上述方案的计算域的几何建模示意图，从图中可见，本文所分析的计算域为4个入口接管到堆芯出口所在区域，模型模拟了入口接管、下降环腔、径向限位支撑块、下封头、流量分配装置、堆芯下板以及堆芯所在区域，其中堆芯区域由模拟围板外形结构的空腔所表示，在进行计算时，采用添加阻力域系数的方式模拟堆芯区域的压降。

2.2 网格划分

该方案运用ICEMCFD进行网格划分所得到的网格示意图，整个计算域网格单元的数量约为2500多万，采用非结构化网格划分方式进行网格划分。

2.3 计算求解

3 应用传统模型的计算分析

图3至图5分别给出了“流量分配半椭球方案”通过稳态计算得到的计算域内的速度分布、速度矢量分布和堆芯下板流水孔处的速度分布。从图中可见，冷却剂通过入口接管进入下降环腔后，受径向限位支撑块的影响，在进入下封头时，速度分布出现明显的不均匀现象，但是进入下封头后，由于半椭球流量分配器的流量分配作用，使得冷却剂经过半椭球流量分配器后较为均匀地流入下封头上部区域，并通过堆芯下板流水孔进一步均匀地流入堆芯。

从图3可以发现，冷却剂流入堆芯下板后，各流水孔的流速分布较为均匀。从表1中可以得到堆芯入口区域流量分配特性，最小流量份额达到87%。总体而言，小流量区域集中在堆芯中央區域，而堆芯外围区域流量份额偏大，这与堆芯功率分布趋势不符，需要进一步开展结构优化以获得更优的流量分配特性。

4 对于流量分配板的优化改善

为了获得更优的下腔室结构方案，针对上述结构方案进行改进分析：即中间13×13的流量分配孔孔径增大，重新进行分析计算，以期改善上述方案中中心位置流量分配较小的问题。

本文将其称为“结构优选方案”，并对其进行了分析评价。图6给出了其半椭球流量分配装置的方案示意图，相对于上述方案中的“流量分配半椭球方案”，该方案将流量分配半椭球中央区域的开孔由φ50调整为φ60，而其他参数不变，其流量分配板装置结构示意图见图7。

图8至图9分别给出了“结构优选方案”通过稳态计算得到的计算域内的速度分布和堆芯下板流水孔处的速度分布。从图中可见，冷却剂通过入口接管进入下降环腔后，受径向限位支撑块的影响，在进入下封头时，速度分布出现明显的不均匀现象，但是进入下封头后，由于半椭球流量分配器的流量分配作用，使得冷却剂经过半椭球流量分配器后较为均匀地流入下封头上部区域，并通过堆芯下板流水孔进一步均匀地流入堆芯。从图9可以发现，冷却剂流入堆芯下板后，各流水孔的流速分布较为均匀。

从表2中可以发现，堆芯入口区域流量分配特性得到了很大的改善，最小流量份额提高到94%，相对于原始方案，流量分配趋势得到了很大的改善，最小流量份额主要分布在堆芯外围组件区域，而中心区域流量份额普遍偏大，这与预期的堆芯功率分布趋势一致，不论从最小、最大流量份额还是流量分配趋势而言，均满足热工水力设计要求。

5 小结

通过本文的论证分析表明，采用本文所分析的“结构优选方案”，即反应堆下腔室添加半椭球流量分配装置，中央区域开φ60流水孔，外围区域开φ50流水孔，其流量分配特性相对于原始方案有很大的改善。最小流量份额从87%提高到94%，最大流量份额从112%减小到107%，流量分配趋势满足中心区域偏大，外围区域偏小的功率分布总体趋势，满足热工水力设计要求。

[责任编辑：田吉捷]