反应堆顶盖腔室流场实验研究

危 华，谢 翀，肖卫明，汪春宇

（中广核研究院有限公司 广东省核电安全企业重点实验室，广东 深圳 518116）

反应堆冷却剂在压力容器内流动，主流在经过堆芯后进入上腔室，上封头旁流[1]则通过堆芯吊篮上的喷嘴流水孔进入顶盖腔室（又称上封头腔室），对顶盖腔室及其内部构件进行冷却，之后流入上腔室，与堆芯出口的冷却主流汇合后流出反应堆压力容器。顶盖腔室内的水力参数测量是上封头结构力学分析和流致振动评价的基础，而水力学参数又取决于流场，因此，研究顶盖腔室内的流场对反应堆的结构设计具有重要的意义。

国内外许多研究单位利用CFD 研究反应堆内的流场[2-5]，也有研究单位对反应堆开展了实验研究，但多是利用缩比的模型进行[6-7]，或者研究的是反应堆的其他部位[8]。本研究在基于1∶1 原型的实验本体上开展实验，利用粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry，PIV）分别拍摄测量顶盖腔室不同位置的流场，并将测量结果整合到一起，获得了顶盖腔室内的全流场细节，为上封头的结构设计和安全分析提供了数据输入。

1 实验系统和实验方法

1.1 实验回路

本实验的装置示意图如图1 所示。该装置中包括补水系统、主回路系统、电加热系统和冷却系统等。

图1 实验回路图

实验装置中主泵出来的去离子水，分别流向泵旁路、实验支路、稳压器支路及换热器支路，实验支路的去离子水经流量计和实验本体后，与稳压器、换热器的支路流体混合并回到主泵，形成闭合的流动循环。

1.2 实验本体

本研究在1∶1 原型的基础上，选取了一个喷嘴附近的500 mm 周向范围和1/2 腔室的径向范围进行实验本体的设计，如图2 所示。实验本体主体尺寸约为2.2 m×2.1 m×0.52 m，主要由喷嘴流水孔入口段、顶盖腔室模拟体和出口段组成，在本体的拍摄面（对应顶盖腔室竖直切面上）上有13 个可视窗口。实验运行时本体竖直放置，去离子水从下往上从喷嘴入口段流入，经顶盖腔室模拟体后，由出口段流出。

图2 实验本体和可视窗口位号

拍摄面和激光入射面部分采用有机玻璃制作，以方便PIV 设备拍摄测量本体内部流场。PIV 系统测量流场时，片光源经过激光入射面照亮拍摄面中的选定区域，CCD 相机布置在垂直纸面正对选定面的前方，PIV 系统就可以拍摄选定区域示踪粒子的瞬时画面并通过两帧画面的差异计算该区域的速度场。

1.3 实验方法

为达到指定工况，本实验需要调节的回路参数主要有实验本体内介质的流量、温度和压力。介质的流量，可以通过调节主泵出口实验支路电动阀和主泵旁路电动阀的开度以及主泵的频率来调节；介质的温度，可以利用实验回路中稳压器内的电加热棒、主泵频率及换热器三者配合调节；介质的压力主要通过稳压器来调节。

实验中流量、温度和压力的测量分别通过涡轮流量计、温度热电偶和压力变送器来测量，实验参数范围见表1。

表1 实验参数表

流场的测量主要使用PIV 系统，利用PIV 系统测试流场时，在回路中加入反光性良好且比重与流体相当的空心玻璃微珠作为示踪粒子，使用激光片光源对被拍摄区域进行照明，之后使用CCD 相机获取示踪粒子的运动图像，对示踪粒子的运动图像进行分析和处理，最终获得所研究的二维流场的速度分布情况。

2 实验结果和分析

2.1 整体流场

实验本体一共有13 个可视窗口，图2 根据行和列的不同对可视窗口进行了编号，并记录了每个可视窗口的坐标范围。

图3 是在流量59.6 m3/h 条件下经过拼接合成的总体速度场图（其他流量工况下的流场情况基本类似），该流量工况下以喷嘴喉部为参考截面的雷诺数约为75 万。喷嘴流水孔和周围壁面可以看成一个半封闭冲击射流区域[9]，从喷嘴出来的水几乎是贴着腔室左侧壁面的，这使喷嘴上方自由射流区的流场变得更加紊乱，加上其速度梯度较大，使得“11”窗口已无法准确拍摄测量得到该区域的流场，因此本文给出的流场图不包含该喷嘴出口正上方的数据，不过图4 仍可以明显看到自由射流区对周围的介质以及相应的动量、能量的裹携效果[10]。水介质从喷嘴出来进入顶盖腔室模拟体后，沿着顶盖腔室模拟体内壁面流动，一直到可视窗口“44”位置的后半段才发生明显脱壁现象，这为上封头旁流对顶盖腔室的冷却创造了较好的条件。沿着壁面方向越到下游或者垂直壁面方向离壁面越远，流速越小。腔室模拟体在位置“23”位置形成了一个较大的涡，顶盖腔室原型因为含有内构件，其内部涡的位置可能和本文有所区别。由图5 到图6 可知，“14”和“44”位置也各形成了一个较小的涡，这2 处涡的形成和腔室模拟体右侧壁面有关，而顶盖腔室原型右侧壁面实际为对称中心面，情况将更为复杂。

图3 流量59.6 m3/h 条件下的整体速度场及近壁面速度选取区域

图4 位置“11”处的速度场

图5 位置“14”处的速度场

图6 位置“44”处的速度场

2.2 近壁面流速分布

图7 是腔室近壁面的流速分布图，可视窗口的位号在该图横坐标上方，近壁面的选取区域是图2的白线所经过的位置。可以发现，越到下游，整体流速越小，这和前面整体速度场图得到的结论一致；“21”和“311”因为包含少部分冲击区和大部分壁面射流区，导致这2 个区域的速度波动和梯度较大，其中“21”窗口在流量59.6 m3/h 以上的数据已无法准确测得，“44”区域的速度梯度大是受右侧壁面的影响；比较这5 条曲线，可以发现，在“311”区域，喷嘴入口流量越大，腔室总体速度越大，其他区域速度和流量的关系并不明显。

图7 腔室内壁面附近的流速分布

2.3 流量对总体流速的影响

入口流量从53.0 m3/h 变化到72.9 m3/h 时，整体腔室内的流场特征基本一致，只是腔室内的总体流速发生了变化，本文选取每个流量工况下整个流场速度的中位数来代表该流场速度的总体水平，得到整体流速和入口流量的关系曲线如图8 所示，由图8 可知，总体流速和入口流量的关系接近一条直线，入口流量越大，整体流速越大。

图8 总体流速和喷嘴流量的关系曲线

3 结论

通过在1∶1 顶盖腔室实验本体上开展水力学实验研究得到以下结论。

1）水介质从喷嘴出来进入顶盖腔室模拟体后，沿着顶盖腔室模拟体内壁面流动，一直到靠近顶盖腔室中心线位置才发生明显脱壁现象，这为上封头旁流的对顶盖腔室的冷却创造了较好的条件。

2）腔室模拟体内瞬时流场一直在变化，在模拟体中心、模拟体右上方和模拟体右下方分别形成了“一大两小”的3 个涡，而顶盖腔室原型因为含有内构件，且右侧壁面位置实际为对称中心面，情况将更为复杂。

3）腔室内的流体速度的分布并不均匀，总体而言，沿着壁面的主流速方向越到下游，或者垂直壁面的主流速方向离壁面越远，流速越小。

4）流量变化时，整体腔室内的流场特征基本一致，只是腔室内的总体流速的大小发生了变化。总体流速和入口流量的关系接近一条直线，随着入口流量的增大，腔室模拟体内水介质的整体流速越大。