5×5螺旋十字型棒束組件阻力與交混特性實(shí)驗(yàn)研究

張 琦，顧漢洋,*，肖 瑤，楊 玨，朱俊志

(1.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

螺旋十字型棒束(HCF)組件的換熱面積較傳統(tǒng)燃料棒大30%～40%，且相鄰的燃料棒可通過(guò)燃料棒上的肋片相互支撐，無(wú)需采用定位格架來(lái)固定。螺旋十字型燃料棒上的肋片呈螺旋狀，冷卻劑經(jīng)過(guò)肋片時(shí)不斷形成旋流，從而強(qiáng)化相鄰子通道之間的傳熱傳質(zhì)。美國(guó)LightBridge公司推出了新型HCF產(chǎn)品，用于替換現(xiàn)役反應(yīng)堆中的傳統(tǒng)棒束組件[1-2]。HCF組件出現(xiàn)在俄羅斯新型低溫氣冷堆和船用核動(dòng)力裝置中[3]。

美國(guó)和俄羅斯最早對(duì)HCF組件進(jìn)行了研究。Conboy等[4]對(duì)4×4 HCF組件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了HCF組件的阻力系數(shù)和交混系數(shù)。Conboy等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料棒的螺旋節(jié)距在50～200 cm范圍內(nèi)時(shí)，減小螺旋節(jié)距對(duì)摩擦阻力系數(shù)的影響可忽略不計(jì)。Conboy等還開(kāi)發(fā)了適用于HCF組件的子通道分析程序，并發(fā)現(xiàn)HCF組件可將壓水堆的功率密度提高近20%。Garusov[5]對(duì)PIK反應(yīng)堆的HCF組件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為HCF阻力系數(shù)主要由雷諾數(shù)和燃料棒表面粗糙度決定。Bol’shakov等[6]對(duì)三角形排列的HCF組件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了實(shí)驗(yàn)件的沿程壓降和臨界熱流密度。Bol’shakov發(fā)現(xiàn)HCF組件的臨界熱流密度相比傳統(tǒng)燃料棒束的臨界熱流密度高10%。

上述研究顯示，HCF組件的熱工水力特性顯著高于帶定位格架的傳統(tǒng)棒束組件，在核能領(lǐng)域具有一定的開(kāi)發(fā)潛力。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)缺乏關(guān)于HCF組件研究的報(bào)道，本文通過(guò)搭建水力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)HCF組件的阻力特性與交混特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與回路

圖1為實(shí)驗(yàn)回路示意圖。本實(shí)驗(yàn)采用去離子水為流動(dòng)工質(zhì)，循環(huán)水箱中的去離子水通過(guò)1臺(tái)立式離心泵驅(qū)動(dòng)，去離子水經(jīng)過(guò)電磁流量計(jì)(上儀LDCK-40，0.1級(jí)精度)和實(shí)驗(yàn)段后重新回到循環(huán)水箱中。通過(guò)調(diào)節(jié)旁通閥和入口閥的開(kāi)度來(lái)控制實(shí)驗(yàn)段入口的流量。實(shí)驗(yàn)段上共有4個(gè)取壓孔，取壓孔位置列于表1。AC段和BD段的壓差分別由兩臺(tái)壓差變送器(川儀EJX120A，0.1級(jí)精度)測(cè)量。在交混實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)磁力齒輪泵(Tuthill K11186，0～250 L/min)將低溫水注入HCF組件中。注水管為一段外徑5 mm、壁厚0.25 mm的不銹鋼細(xì)管。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路示意圖Fig.1 Schematic of experimental circuit

通過(guò)T型熱電偶測(cè)量注水口下游的水溫分布。注水回路的流量由1臺(tái)齒輪流量計(jì)(午騰WT4IGSSB，0.5級(jí)精度)記錄。調(diào)整磁力齒輪泵的轉(zhuǎn)速，使低溫水管的出口速度與HCF組件內(nèi)的平均流速相同。注水管出口位置和測(cè)溫截面位置列于表1，交混段總長(zhǎng)為0.75 m。

表1 實(shí)驗(yàn)段取壓孔與測(cè)溫截面的高度Table 1 Height of pressure hole and temperature measurement section

圖2為5×5 HCF組件的橫截面和子通道劃分，棒束組件內(nèi)共有36個(gè)子通道。實(shí)驗(yàn)棒的加工材料為高韌樹(shù)脂，加工精度為±0.05 mm，經(jīng)打磨和噴漆處理后，實(shí)驗(yàn)棒表面光潔度為0.8。實(shí)驗(yàn)棒的棒間距為12.6 mm、螺距為500 mm、總長(zhǎng)為1 000 mm。圖3為HCF組件裝配圖，該組件由入口段、實(shí)驗(yàn)段、測(cè)溫管、出口段以及相關(guān)的配件組成，各部件通過(guò)法蘭連接。實(shí)驗(yàn)段的相關(guān)參數(shù)列于表2。實(shí)驗(yàn)段的加工材料為有機(jī)玻璃，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)邊長(zhǎng)為63 mm，加工精度為±1 mm。入口水溫和子通道內(nèi)水溫通過(guò)T型熱電偶(Omega)測(cè)量。由于熱電偶不易被直接固定在指定位置，首先將測(cè)溫管固定到HCF組件內(nèi)部，再將熱電偶插入測(cè)溫管內(nèi)部來(lái)測(cè)量水溫。測(cè)溫管直徑為1 mm、壁厚為0.25 mm、總長(zhǎng)為300 mm。圖4為實(shí)驗(yàn)棒和測(cè)溫管裝配示意圖。將實(shí)驗(yàn)棒兩端的M4螺桿穿過(guò)實(shí)驗(yàn)棒固定板后，用螺母墊片固定。測(cè)溫管穿過(guò)上封板和測(cè)溫管導(dǎo)向板上的1 mm圓孔后，用密封膠固定。測(cè)溫截面位于實(shí)驗(yàn)段入口下游0.875 m處，共有36根測(cè)溫管，分別位于36個(gè)子通道的中心位置。本文通過(guò)T型熱電偶測(cè)量入口處和各子通道內(nèi)的水溫，將36根T型熱電偶放入測(cè)溫管內(nèi)測(cè)量子通道水溫，另外2根熱電偶嵌入入口段和注水管測(cè)量主回路和注水回路水溫。在正式實(shí)驗(yàn)前，將熱電偶置入溫度計(jì)量爐(FLUKE 9173)中進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)(FLUKE 5626)的讀數(shù)作為真實(shí)值并與T型熱電偶的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。所有T型熱電偶的測(cè)量誤差均在0.2%以內(nèi)。

圖2 HCF組件橫截面和子通道編號(hào)Fig.2 Cross-section and sub-channel number of 5×5 HCF assembly

圖3 HCF組件裝配示意圖Fig.3 HCF assembly diagram

表2 實(shí)驗(yàn)段相關(guān)參數(shù)Table 2 Relative parameter of test section

圖4 實(shí)驗(yàn)棒與測(cè)溫管安裝示意圖Fig.4 Installation of HCF rod and thermocouple guide pipe

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況列于表3，雷諾數(shù)在2 800～14 400之間。低溫水箱內(nèi)的水溫通過(guò)冰塊維持，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中注水管內(nèi)的水溫與表3中數(shù)據(jù)存在一定偏差，數(shù)據(jù)處理時(shí)以實(shí)際水溫為準(zhǔn)。

表3 交混與阻力實(shí)驗(yàn)工況Table 3 Test condition of mixing and resistance experiment

1.3 數(shù)據(jù)處理

HCF組件的阻力系數(shù)f通過(guò)達(dá)西公式計(jì)算得到：

(1)

其中：Dh為水力直徑；Δp為測(cè)量段壓差；ρ為流體的密度；l為壓差測(cè)量段長(zhǎng)度；v為棒束組件內(nèi)的平均流速。

在棒束通道內(nèi)，相鄰子通道之間的橫向交混是一很復(fù)雜的過(guò)程。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)橫向交混的基本概念和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。單相流動(dòng)情況下，HCF組件內(nèi)的二次流主要由湍流交混(棒束通道內(nèi)湍流擴(kuò)散引起無(wú)定向自然交混)和流動(dòng)后掠(螺旋型結(jié)構(gòu)引起的強(qiáng)迫流動(dòng))引起。本文定義等效交混系數(shù)(βeff)來(lái)描述HCF組件內(nèi)的橫向交混過(guò)程。棒束組件內(nèi)對(duì)應(yīng)的等效交混率(w′eff)為：

(2)

交混實(shí)驗(yàn)中，低溫水通過(guò)子通道16注入實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，子通道16內(nèi)的平均水溫通過(guò)其比焓Δhequ查表得到：

ΔhequρvAtot=Δhbulkρbulkv(Atot-Acold)+

ΔhcoldρbulkvAcold

(3)

其中：Atot為子通道16的面積；Acold為低溫注水管的橫截面；Δhbulk為主回路內(nèi)流體的比焓；Δhcold為低溫注水管內(nèi)流體的比焓。

由橫向交混速率的基本定義可知，在加熱棒不發(fā)熱的情況下，子通道i內(nèi)的能量守恒方程[9-10]為：

(4)

文獻(xiàn)[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了HCF組件子通道內(nèi)的溫度分布，并基于子通道分析程序獲得了HCF棒束組件的交混系數(shù)。本文參照文獻(xiàn)[11]的方法求解交混系數(shù)，具體步驟為：1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同截面的子通道水溫；2) 向子通道程序內(nèi)輸入實(shí)驗(yàn)段的幾何參數(shù)和邊界條件；3) 假設(shè)若干個(gè)交混系數(shù)，計(jì)算不同交混系數(shù)對(duì)應(yīng)的子通道水溫分布；4) 根據(jù)步驟1、3的數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，取標(biāo)準(zhǔn)差最小時(shí)的交混系數(shù)作為HCF組件的交混系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻力特性分析

圖5為AC段和BD段的壓差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，AC段和BD段長(zhǎng)度均為0.375 m。從圖5可看出，兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的壓差分布幾乎一致，一定程度上驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的正確性。HCF組件排列緊湊，且實(shí)驗(yàn)棒的肋片呈螺旋型結(jié)構(gòu)。HCF組件與緊密柵棒束組件和帶繞絲棒束組件的結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，將本次實(shí)驗(yàn)的阻力系數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)中的棒束組件阻力關(guān)系式(表4)進(jìn)行了對(duì)比。

圖5 壓差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Experimental data of pressure drop

表4 棒束組件阻力系數(shù)關(guān)系式Table 4 Summarizing of resistance coefficient correlations of rod bundle

圖6為HCF組件的阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的對(duì)比。可看出，Cheng關(guān)系式的計(jì)算值明顯小于本文實(shí)驗(yàn)值，也小于繞絲棒束組件的預(yù)測(cè)值。這是由于HCF棒的表面積大于傳統(tǒng)燃料棒的表面積，且實(shí)驗(yàn)棒的螺旋結(jié)構(gòu)增加了棒束組件的壓力損失，因此HCF組件的阻力系數(shù)大于緊密柵棒束組件。Conboy在粗糙圓管阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的基礎(chǔ)上，提出了HCF組件的阻力關(guān)系式。由于HCF組件的流道結(jié)構(gòu)和粗糙圓管存在明顯差異，Conboy的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式?jīng)]有對(duì)應(yīng)的物理含義，因此適用性較差。Rehme[12]將流體掠過(guò)螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦壓降歸并于HCF組件的摩擦壓降中，按照Rehme的理論擬合HCF組件的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

(5)

其中，F(xiàn)為加權(quán)修正因子，F(xiàn)=0.348。

圖6 實(shí)驗(yàn)阻力系數(shù)與經(jīng)典阻力關(guān)系式對(duì)比Fig.6 Comparison between experimental resistance coefficient and classical correlations

圖7為阻力系數(shù)擬合關(guān)系式評(píng)估。由圖7可看出，擬合關(guān)系式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差在-4%～6%之間，說(shuō)明本文擬合關(guān)系式可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)HCF組件的阻力系數(shù)。

圖7 阻力系數(shù)擬合關(guān)系式評(píng)估Fig.7 Evaluation of fitted resistance correlation

2.2 交混特性分析

圖8為測(cè)溫截面的水溫分布，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流速為951.3 kg/(m2·s)。在高度為0.125 m的橫截面，除子通道16外，其余子通道內(nèi)流體溫度均為主回路的入口水溫。低溫水從注水回路進(jìn)入子通道16后，直接與子通道16內(nèi)的高溫水混合。混合后的流體沿子通道內(nèi)的螺旋型結(jié)構(gòu)發(fā)展為旋流，并通過(guò)棒間隙與相鄰子通道進(jìn)行能量和質(zhì)量交換。在高度為0.875 m橫截面，水溫呈高斯函數(shù)的形式分布，子通道16的水溫最低。另外，越靠近子通道16的位置，水溫變化越明顯。相較于不帶定位格架的棒束組件通道，HCF組件內(nèi)二次流強(qiáng)度有所增加，但二次流的流速與主流流速仍相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[4,15]。子通道25～36與子通道16間隔較遠(yuǎn)，沒(méi)有與子通道16直接發(fā)生交混，水溫變化可忽略不計(jì)。

圖8 測(cè)溫截面的溫度分布Fig.8 Temperature distribution on temperature measurement section

圖9為本文實(shí)驗(yàn)得到的交混系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化。可看出，隨著雷諾數(shù)的增加，交混系數(shù)未發(fā)生明顯變化。曹念等[11]經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)交混系數(shù)主要受棒束組件結(jié)構(gòu)的影響，改變溫度和流速對(duì)交混系數(shù)的影響可忽略不計(jì)。本文獲得的交混系數(shù)均值為0.019。

圖9 交混系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化Fig.9 Change of effective mixing coefficientwith Reynolds number

為驗(yàn)證交混系數(shù)的正確性，將實(shí)驗(yàn)交混系數(shù)代入子通道程序并計(jì)算對(duì)應(yīng)位置的水溫分布。圖10為子通道內(nèi)水溫的實(shí)驗(yàn)值與Cobra-tf計(jì)算值的對(duì)比，其雷諾數(shù)為2 800～14 400。可看出，β=0.019時(shí)，實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的最大偏差為-0.5 ℃，平均偏差為0.16 ℃。實(shí)驗(yàn)值與Cobra-tf對(duì)應(yīng)的計(jì)算值偏差在合理范圍內(nèi)。將本文交混系數(shù)代入Cobra-tf后，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)HCF組件內(nèi)的溫度分布。

圖10 子通道程序和實(shí)驗(yàn)的溫度對(duì)比Fig.10 Temperature comparison between sub-channel code and experiment

3 小結(jié)

本文通過(guò)搭建水力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)HCF組件的阻力和交混特性進(jìn)行了研究，獲得以下結(jié)論：1) 螺旋十字型燃料棒的肋片將造成一定的壓降損失，基于這一特性擬合了HCF組件的阻力關(guān)系式；2) 定義了等效交混系數(shù)來(lái)分析HCF組件內(nèi)的橫向流動(dòng)，本文HCF組件的交混系數(shù)為0.019。