基于自然對(duì)流的堆頂局部熱點(diǎn)分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

張志強(qiáng) 李 維 付國(guó)忠 張進(jìn)強(qiáng) 李國(guó)棟 鮮希睿

（1、核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213 2、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610213）

在核反應(yīng)堆中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)中重要的伺服機(jī)構(gòu)，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)控制棒組件運(yùn)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)反應(yīng)堆內(nèi)反應(yīng)性變化的重要部件，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟動(dòng)、提升功率、保持功率、負(fù)荷跟蹤、正常停堆和緊急事故停堆等重要的安全功能。

磁力提升型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的線圈組件是實(shí)現(xiàn)對(duì)控制棒組件狀態(tài)控制的主要部件。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈通以不同時(shí)序電流，實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作控制。但與此同時(shí)，通電線圈將產(chǎn)生大量熱量，影響整個(gè)堆頂溫度場(chǎng)分布。作為堆頂結(jié)構(gòu)的一部分，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是產(chǎn)生堆頂熱量的主要來(lái)源（另一部分來(lái)自于堆頂部自然對(duì)流換熱和熱輻射）。核反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)研究表明，運(yùn)行溫度對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命及工作性能有著重要的影響。

在反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)分析和設(shè)備開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用先進(jìn)的CAE分析技術(shù)，既是核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的任務(wù)和方向，也是技術(shù)改進(jìn)優(yōu)化，降低成本的重要手段[1]。針對(duì)反應(yīng)堆流場(chǎng)分析研究，常采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法。于浩[2]等通過(guò)CFD 分析工具對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬，給出反應(yīng)堆燃料組件入口處流場(chǎng)的速度和流量分配情況。張明[3]等通過(guò)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析，得到了冷卻劑在堆內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。在計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算網(wǎng)格的質(zhì)量決定了計(jì)算資源的占用、計(jì)算速度以及計(jì)算的精度。何培峰[2]等通過(guò)HyperMesh 軟件對(duì)堆頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高質(zhì)量六面體網(wǎng)格的劃分，并分析了堆頂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在通風(fēng)條件下的冷卻性能[3]。于浩、余志偉[6][7]等人針對(duì)堆頂組件冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)分析，獲得了冷卻系統(tǒng)的流場(chǎng)分布，為冷卻風(fēng)量的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了基礎(chǔ)。但堆頂?shù)耐L(fēng)冷卻方式，一方面能耗較大，另一方面無(wú)法保證絕對(duì)的安全可靠，因此基于堆頂結(jié)構(gòu)的自然對(duì)流循環(huán)冷卻方式被提出。鄒鵬[8]等通過(guò)CFD 分析方法，研究了當(dāng)采用空氣自然循環(huán)冷卻方式時(shí)，CRDM群及各線圈的溫度分布，探索對(duì)CRDM群采用空氣自然循環(huán)冷卻方式的可行性。研究表明，依靠空氣的自然對(duì)流，可以對(duì)CRDM進(jìn)行有效冷卻。

本文通過(guò)對(duì)堆頂結(jié)構(gòu)模型的建立，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，利用FLUENT 流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析軟件，對(duì)自然對(duì)流狀態(tài)下的堆頂控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所圍區(qū)域內(nèi)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行三維模擬，分析堆頂流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的狀態(tài)，重點(diǎn)分析影響驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、堆頂結(jié)構(gòu)件運(yùn)行性能和使用壽命的局部熱點(diǎn)，為堆頂結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)壽命可靠運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

1 模型建立

1.1 有限元模型的建立

全尺寸堆頂幾何結(jié)構(gòu)主要包括堆坑、圍筒和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分，如圖1 所示。為提高計(jì)算速度，節(jié)省計(jì)算資源，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理：一是設(shè)置密封殼內(nèi)冷卻劑平均溫度為320℃，行程套管冷卻劑平均溫度為200℃；二是忽略耐壓殼內(nèi)部拆卸桿等結(jié)構(gòu)。如圖2 所示。

圖1 堆頂結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

利用ANSYS Meshing 對(duì)堆頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照計(jì)算區(qū)域內(nèi)各類(lèi)型結(jié)構(gòu)的幾何形狀特征及其分布來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的塊切分操作。如圖3、圖4 所示。其中，對(duì)于流體與固體換熱區(qū)域，流體采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。流體域網(wǎng)格最大尺寸為6cm，固體域最大網(wǎng)格為2cm，同時(shí)對(duì)部分典型區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

圖3 流體域網(wǎng)格劃分

圖4 固體域網(wǎng)格劃分

1.2 材料物性

本文在進(jìn)行全場(chǎng)三維模擬時(shí)，涉及到的主要物質(zhì)有空氣、線圈導(dǎo)線和各種結(jié)構(gòu)材料。在堆頂自然對(duì)流流場(chǎng)中，通過(guò)分析可知，空氣的密度變化導(dǎo)致的浮力效應(yīng)、固體結(jié)構(gòu)（含各種間隙）的熱導(dǎo)率是影響全場(chǎng)流動(dòng)傳熱性能的關(guān)鍵因素。

（1）結(jié)構(gòu)材料

各種結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)如表1 所示。

表1 各種結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)

?

（2）空氣物性

如前文所述，在進(jìn)行空氣自然對(duì)流流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，空氣的密度大小是關(guān)鍵因素。在對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解時(shí)，涉及到穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種不同計(jì)算工況，對(duì)流場(chǎng)中流動(dòng)的空氣密度將采用Boussinesq 模型進(jìn)行計(jì)算，一方面為了能夠使計(jì)算更好地收斂，另一方面也確保了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

在動(dòng)量方程中，為了考慮浮力的影響，則需要添加（ρ-ρ0）g 作為浮力項(xiàng)。在Boussinesq 模型中可表示為：

式中，β 為熱膨脹系數(shù)。T0為參考溫度，ρ0為參考密度。

在計(jì)算工況下，空氣的比熱容為1006.43J/（kg·K），粘度則按照Sutherland 公式求解，其表達(dá)式為：

式中，μ 為粘性，μ0是參考值，單位為kg/（ms），T 是流體溫度，T0是參考溫度，單位為K。S 是有效溫度，單位是K，也被稱(chēng)為Sutherland 常數(shù)。

1.3 邊界條件

為準(zhǔn)確求解CFD 問(wèn)題，正確合理的設(shè)置求解的邊界條件是必要的。本文中，針對(duì)自然對(duì)流工況下的堆頂局部熱點(diǎn)分析計(jì)算，主要邊界條件有：

（1）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）承壓殼的內(nèi)部邊界條件為第一類(lèi)邊界條件；

（2）流體域與固體域的交界面和不同固體材料之間的交界面均被考慮成可導(dǎo)熱的熱耦合邊界；

（3）對(duì)包圍CRDM 群的空氣區(qū)域的頂部邊界，設(shè)為壓力邊界，其回流溫度為環(huán)境溫度，環(huán)境溫度為40℃；

（4）考慮圍筒內(nèi)表面與控制棒外表面的熱輻射效應(yīng)，固體內(nèi)部不考慮熱輻射換熱的影響；

（5）在運(yùn)用FLUENT 進(jìn)行模擬分析時(shí)，通過(guò)對(duì)線圈外側(cè)添加虛擬導(dǎo)熱厚度的方法，實(shí)現(xiàn)了該層壁面邊界條件的設(shè)置。

2 堆頂局部熱點(diǎn)分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 堆頂局部熱點(diǎn)分析

本文對(duì)不同穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下堆坑內(nèi)及堆頂區(qū)域的自然對(duì)流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。分析了各穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下各堆頂結(jié)構(gòu)的溫度分布情況。主要計(jì)算工況如下：

工況1：全部控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照全功率發(fā)熱進(jìn)行計(jì)算，每臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照10kW 發(fā)熱功率計(jì)算。

工況2：全部控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)全保持工況進(jìn)行計(jì)算。

圖5 和圖6 給出兩種穩(wěn)態(tài)工況下，堆頂結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的溫度場(chǎng)分布。兩種穩(wěn)態(tài)工況模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于工況1 中CRDM功率高于工況2，因此工況1 中不論是各線圈的最高溫度，還是堆頂各構(gòu)件的最高溫度，包括電纜橋、頂板、電纜托架、抗震板、抗震支撐板、圍筒以及電纜通道，均高于工況2。工況1和工況2 中圍筒溫度分布趨勢(shì)并不相同，由于工況1 中線圈功率高于工況2，磁軛圍筒的輻射傳熱量也高于工況2，因此工況1 中圍筒最高溫度分布于圍筒進(jìn)風(fēng)口周?chē)r2 中圍筒最高溫度位于頂部與抗震支撐板接觸位置。

圖5 工況1 主要結(jié)構(gòu)溫度分布（K）

圖6 工況2 主要結(jié)構(gòu)溫度分布（K）

各堆頂結(jié)構(gòu)件局部最高溫度見(jiàn)表2 所示。

表2 部分堆頂構(gòu)件局部最高熱點(diǎn)溫度

2.2 堆頂局部熱點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于頂板、電纜橋及電纜托架溫度過(guò)高的一個(gè)原因是抗震板及抗震支撐板上存在很多流通區(qū)域，加熱的空氣直接流出，使得頂板、電纜橋及電纜托架這些電纜經(jīng)過(guò)位置處的溫度超過(guò)溫度限值。因此，本文提出將抗震板及抗震支撐板上的流通區(qū)域全部封閉，將圍筒上側(cè)變?yōu)橥耆忾]的結(jié)構(gòu)，使流經(jīng)圍筒內(nèi)部的熱空氣從圍筒側(cè)面出風(fēng)口流出，避免對(duì)頂板、電纜橋及電纜托架的直接加熱。顯而易見(jiàn)，封閉抗震板和抗震支撐板能夠有效減少頂板、電纜橋及電纜托架與熱空氣的接觸。因此，在本文中封閉抗震板和抗震支撐板以改變圍筒內(nèi)熱空氣的流出路徑。圖8 為本文提出的堆頂改進(jìn)方案的幾何模型。

圖7 優(yōu)化前堆頂結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后堆頂結(jié)構(gòu)

為了對(duì)比優(yōu)化方案與原始結(jié)構(gòu)方案的性能，模擬中選取2.1節(jié)中工況作為對(duì)比工況。

（1）溫度場(chǎng)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各堆頂結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖9、圖10 所示。為了進(jìn)一步分析優(yōu)化后的方案對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)的影響，分別對(duì)不同工況下各堆頂結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行了分析，如表3 所示。對(duì)于同一工況下的堆頂結(jié)構(gòu)，由于優(yōu)化結(jié)構(gòu)后抗震板和抗震支撐板完全封閉，熱空氣不會(huì)如優(yōu)化結(jié)構(gòu)前直向上流通，因此，有效降低了頂板、電纜橋和電托架的溫度，使電纜經(jīng)過(guò)位置溫度降低至限值以下。

同時(shí)，抗震板和抗震支撐板的封閉，降低了堆頂內(nèi)的自然循環(huán)能力，各線圈溫度均有所上升，上升幅度在1-4℃；同時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，熱空氣只能通過(guò)出風(fēng)口流出，圍筒上側(cè)空間內(nèi)熱空氣發(fā)生積聚，使得抗震支撐板、圍筒上側(cè)及電纜通道上側(cè)溫度升高，但電纜通道溫度依然保持在溫度限值以下。

圖9 優(yōu)化后工況1 溫度場(chǎng)分布（K）

圖10 優(yōu)化后工況2 溫度場(chǎng)分布（K）

優(yōu)化改進(jìn)后各堆頂結(jié)構(gòu)件局部最高溫度見(jiàn)表3 所示。

表3 改進(jìn)后部分堆頂構(gòu)件局部最高熱點(diǎn)溫度

（2）速度場(chǎng)

圖11 和圖12 分別展示了不同工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后縱向截面上的速度分布。由圖中所示結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的速度值要低于相同工況下優(yōu)化前的值，這也說(shuō)明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)降低了堆頂結(jié)構(gòu)局部熱點(diǎn)的溫度，但也降低了堆頂?shù)淖匀谎h(huán)能力，導(dǎo)致堆內(nèi)其他結(jié)構(gòu)的溫度略有升高，但溫度的升高值在可接受的范圍內(nèi)。

圖11 工況1 下的縱面速度分布（m/s）

圖12 工況2 下的縱面速度分布（m/s）

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)堆頂結(jié)構(gòu)模型的建立，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，利用FLUENT 流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析軟件，對(duì)堆頂控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所圍區(qū)域內(nèi)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行三維模擬，得到以下結(jié)論：

（1）建立了堆頂全尺寸模型，完成了堆頂結(jié)構(gòu)有限元模型的建立于邊界條件的設(shè)置。

（2）完成了自然對(duì)流工況下堆頂局部熱點(diǎn)的分析，得出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在全功率發(fā)熱時(shí)，局部最高熱點(diǎn)位于提升線圈處，而全保持工況下，局部最高熱點(diǎn)出現(xiàn)在保持線圈處。

（3）為降低堆頂頂板、電纜橋及電托架的溫度，保證電纜的使用環(huán)境，本文通過(guò)對(duì)堆頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步降低了堆頂電纜處的環(huán)境溫度，對(duì)電纜使用壽命的延長(zhǎng)提供保障。