堆芯下腔室CFD流量分配優化研究

王瑋

【摘 要】對傳統的堆芯下腔室流量分配進行CFD模擬分析，得到一般傳統流量分配板的流型及流量分配的位置規律，優化下腔室流量分配板結構，改善了流量分配孔的位置及對應尺寸，進行相關敏感性分析計算，得到了更展平的流量分配方案，提高了堆芯熱工安全，為后期熱工的研究分析提供了更好的條件。

【關鍵詞】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

流量分配對于反應堆堆芯熱工安全及結構一直都有至關重要的影響，從傳統發展的輕水堆到如今發展的各種先進堆型，都需要進行研究分析。而一體化壓水堆其部件主要由反應堆壓力容器、反應堆冷卻劑泵、燃料組件及相關組件、控制棒驅動機構、堆內構件、直流蒸汽發生器等結構及設備所組成，堆芯結構復雜，變化因素較多，而且部件都是固化在壓力容器內部，后期不易維修或更換，因而前期就需要結構固化從而完成整個分析研究工作。冷卻劑由主泵驅動，通過壓力容器主泵接管向下進入下降環腔，通過下封頭后折向向上流動，進入堆芯，而此時需要進行理論分配的計算分析，校核流量分配不均勻因子是否滿足要求，并且對現有傳統的流量分配板進行一定優化完善，以改善現有的流量分配，滿足相關熱工安全要求。

1 傳統流量分配板分析

堆芯燃料組件擬采用截短式CF2燃料組件，針對反應堆堆芯入口流量分配特性進行了計算分析，本文開展了如下方案的分析評價，以期獲得合理可行的下腔室優化結構，傳統方案如下所示：

流量分配半橢球方案：在堆芯下板下部緊固一半橢球狀薄板，板上開孔若干，如圖2所示。半橢球外徑φ2090，板厚25mm，均勻開φ50孔共461個，孔間距80mm。

2 計算方法

本文運用CFD方法對三種采用優化下腔室結構的反應堆下腔室流場進行計算分析。首先采用UG進行計算域幾何建模，然后運用ICEMCFD對計算域進行網格劃分，最后運用CFX進行計算求解。

2.1 幾何建模

圖1給出了上述方案的計算域的幾何建模示意圖，從圖中可見，本文所分析的計算域為4個入口接管到堆芯出口所在區域，模型模擬了入口接管、下降環腔、徑向限位支撐塊、下封頭、流量分配裝置、堆芯下板以及堆芯所在區域，其中堆芯區域由模擬圍板外形結構的空腔所表示，在進行計算時，采用添加阻力域系數的方式模擬堆芯區域的壓降。

2.2 網格劃分

該方案運用ICEMCFD進行網格劃分所得到的網格示意圖，整個計算域網格單元的數量約為2500多萬，采用非結構化網格劃分方式進行網格劃分。

2.3 計算求解

3 應用傳統模型的計算分析

圖3至圖5分別給出了“流量分配半橢球方案”通過穩態計算得到的計算域內的速度分布、速度矢量分布和堆芯下板流水孔處的速度分布。從圖中可見，冷卻劑通過入口接管進入下降環腔后，受徑向限位支撐塊的影響，在進入下封頭時，速度分布出現明顯的不均勻現象，但是進入下封頭后，由于半橢球流量分配器的流量分配作用，使得冷卻劑經過半橢球流量分配器后較為均勻地流入下封頭上部區域，并通過堆芯下板流水孔進一步均勻地流入堆芯。

從圖3可以發現，冷卻劑流入堆芯下板后，各流水孔的流速分布較為均勻。從表1中可以得到堆芯入口區域流量分配特性，最小流量份額達到87%。總體而言，小流量區域集中在堆芯中央區域，而堆芯外圍區域流量份額偏大，這與堆芯功率分布趨勢不符，需要進一步開展結構優化以獲得更優的流量分配特性。

4 對于流量分配板的優化改善

為了獲得更優的下腔室結構方案，針對上述結構方案進行改進分析：即中間13×13的流量分配孔孔徑增大，重新進行分析計算，以期改善上述方案中中心位置流量分配較小的問題。

本文將其稱為“結構優選方案”，并對其進行了分析評價。圖6給出了其半橢球流量分配裝置的方案示意圖，相對于上述方案中的“流量分配半橢球方案”，該方案將流量分配半橢球中央區域的開孔由φ50調整為φ60，而其他參數不變，其流量分配板裝置結構示意圖見圖7。

圖8至圖9分別給出了“結構優選方案”通過穩態計算得到的計算域內的速度分布和堆芯下板流水孔處的速度分布。從圖中可見，冷卻劑通過入口接管進入下降環腔后，受徑向限位支撐塊的影響，在進入下封頭時，速度分布出現明顯的不均勻現象，但是進入下封頭后，由于半橢球流量分配器的流量分配作用，使得冷卻劑經過半橢球流量分配器后較為均勻地流入下封頭上部區域，并通過堆芯下板流水孔進一步均勻地流入堆芯。從圖9可以發現，冷卻劑流入堆芯下板后，各流水孔的流速分布較為均勻。

從表2中可以發現，堆芯入口區域流量分配特性得到了很大的改善，最小流量份額提高到94%，相對于原始方案，流量分配趨勢得到了很大的改善，最小流量份額主要分布在堆芯外圍組件區域，而中心區域流量份額普遍偏大，這與預期的堆芯功率分布趨勢一致，不論從最小、最大流量份額還是流量分配趨勢而言，均滿足熱工水力設計要求。

5 小結

通過本文的論證分析表明，采用本文所分析的“結構優選方案”，即反應堆下腔室添加半橢球流量分配裝置，中央區域開φ60流水孔，外圍區域開φ50流水孔，其流量分配特性相對于原始方案有很大的改善。最小流量份額從87%提高到94%，最大流量份額從112%減小到107%，流量分配趨勢滿足中心區域偏大，外圍區域偏小的功率分布總體趨勢，滿足熱工水力設計要求。

[責任編輯：田吉捷]