先進安注箱阻尼器水力特性數值模擬分析

賀艷秋 張 妍 袁朝飛

(中國核動力研究設計院中核核反應堆熱工水力技術重點實驗室，四川 成都610041)

0 引言

核電廠依靠傳統安注箱滿足再灌水階段的大流量需求，并依靠低壓安注系統來滿足再淹沒和長期冷卻階段的小流量需求。若低壓安注系統不能及時啟動將使堆芯不能被有效冷卻，而導致堆芯熔化的嚴重事故發生。為此，日本和韓國率先設計了一種可改變注入流量的先進安注箱[1，2]，即在安注箱內增加阻力調節裝置——阻尼器，并開展了相關理論分析和實驗研究。國內也有研究人員針對不同的先進安注箱特性開展過一些數值模擬[3-5]。

由于阻尼器的存在，先進安注箱在大流量注入后自動過渡到小流量注入，其效果如傳統壓水堆的低壓安注泵投入初期的注射特性。因此先進安注箱不僅可以代替傳統安注箱，還可以獲得較長的寬限時間以啟動低壓安注系統，更進一步可能取消低壓安注系統，以完成低壓安注功能。這不僅減少了能動安全設施，使系統得以簡化，且避免了人為干預可能產生的誤操作，提高了安全性。

為進一步認識阻尼器水力學特性，本文采用CFD方法針對典型結構形式的阻尼器開展了數值模擬，獲得了不同安注階段的阻尼器流場特點和壓降特性，分析了影響阻尼器壓降特性的關鍵因素，為阻尼器及先進安注箱設計優化提供技術支持和參考。

1 幾何建模與網格劃分

使用UG三維制圖軟件對阻尼器進行幾何建模，利用ICEM CFD網格劃分軟件對其進行四面體/六面體網格劃分，并開展了網格敏感性分析。

阻尼器幾何及網格劃分示意如圖1所示，阻尼器主要由漩渦室、大管、小管和出口管組成。網格質量直方圖如圖2所示，最低質量0.354，最高質量0.999，平均質量0.718。出口平均流速隨網格數量的變化結果如圖3所示，當網格數量達到55.6萬時，結果已經不隨網格數量變化而變化。

圖1 幾何及網格劃分圖

圖2 網格的質量直方圖

圖3 出口平均流速隨網格數量的變化情況

邊界條件設置為：大小管入口流速邊界，出口管壓力邊界，壁面無滑移邊界，整個過程不考慮傳熱。出口管方向考慮重力加速度為9.81 m/s2。

2 結果分析

2.1 流場特點

圖4給出了不同安注階段阻尼器橫截面速度云圖。在大流量階段，流體分別經大管和小管流進漩渦室，在漩渦室內部產生交混后，流進出口管；小流量階段，流體經小管流進漩渦室，在漩渦室內部周向旋轉，最終流進出口管。圖5給出了大小管入口交匯處的流速矢量圖。由圖可知，大流量階段，由于來自大管和小管的流體相互沖擊，使得兩股流體在切向的流速相互抵消，形成沿直徑方向流至漩渦室出口的匯合流量。小流量階段，由于沒有來自大管流體的相互作用，小管流體沿漩渦室切向進入，在漩渦室周向強烈旋轉，呈旋渦狀流向漩渦室出口。

圖4 不同流量階段，阻尼器橫截面速度云圖

圖5 不同流量階段，阻尼器大小管交匯處速度矢量圖

2.2 壓降特性

圖6 給出了不同安注階段，阻尼器總壓降隨流量的變化情況。由圖可知，在不同安注階段，隨流量的增加，總壓降均增大。

圖6 阻尼器總壓降隨流量變化情況

定義壓降系數K，總壓降與壓降系數有如下關系：

式中，ΔPt為漩渦室進出口總壓降，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；A為安注管出口的截面積，m2；Q為安注流量，kg/s。

不同安注階段下的壓降系數K如圖7所示。結果表明，兩種安注階段下的壓降系數不隨流量的改變而改變。大流量安注階段，壓降系數約1.07，小流量安注階段，壓降系數約10.59。小流量安注階段漩渦室的壓降系數約是大流量安注階段的10倍。

圖7 阻尼器壓降系數隨流量變化情況

在不同安注階段，阻尼器的壓降系數均為常數，只要確定了先進安注箱內氮氣空間與堆芯的壓差，就可以根據壓降系數計算得到安注流量。反之，在系統設計時可根據不同安注階段所需的流量，確定所需的壓降系數。

2.3 大流量安注階段的壓降特性

典型阻尼器結構包括兩個具有一定夾角的入口和一個出口，示意如圖8所示。在大流量階段，阻尼器阻力系數最小的條件應為大小流量管注射的切向動量之和等于零[6]。而且，合成流量方向必須指向漩渦室出口中心。即與漩渦室相切方向的動量分量的大小相等，且方向相反。

圖8 典型結構阻尼器示意圖

其中，Q為體積流量，V為流速，下標S，L分別表示小流量和大流量。φ為小管流速與阻尼器切線夾角，ψ為大管流速與阻尼器切線夾角，θ為大小入口流量的夾角。它們之間關系為φ+θ+ψ=180°。另外，QS=VSbH，QL=VLBH，H為漩渦室的高度，b為小管邊長，B為大管邊長。

求解上式得如下關系式：

由此可知，在確定的幾何條件下，存在一個最優比流速，使得阻尼器壓降系數最小。該最優比流速與大小管與阻尼器切線夾角、大小管寬度之比有關。對于給定的幾何參數，如本文幾何建模所用參數：小管沿切線方向進入阻尼器，則φ為0°，大小管夾角θ為110°，則φ為70°，由上式可以得到VL/VS=5/5.6。

表1給出了特定幾何結構下，兩個入口流速取不同值時，阻尼器的壓損特性計算結果。由此可知，阻尼器在最優比流速VL/VS=20/22.4=5/5.6條件下，壓降系數最小，計算結果與理論分析一致。

圖9給出了表1對應工況下，總壓降和壓降系數隨安注流量的變化情況。由圖可知，阻尼器的壓降系數與大小管入口流速的比值有關；不同流速比條件下，壓降系數有較大差異；總壓降并不與出口流速成正比。

圖9 大流量安注階段，阻尼器壓損特性

表1 不同流速?工況阻尼器壓損特性

實際設計阻尼器時，可通過在大小管入口處增設形阻，以獲得不同的流速比，從而獲得不同的壓降系數。通常阻尼器在大流量階段壓降系數取最小，這樣帶來的益處在于相同的流量需求和堆芯壓力下，安注箱初始壓力可設置在較低水平，具有一定的經濟性。

2.4 小流量安注階段的壓降特性

小流量安注階段，為了在漩渦室內形成盡可能強烈的漩渦，小管沿切線方向進入漩渦室。任一位置處的切向速度Vr等于[6]：

考慮漩渦室內部渦旋的壓損，則有：

其中，n是反應漩渦室內渦旋類型的參數，n=1時，表示強迫渦旋，n=-1時，表示自由渦旋，實際情況中，n介于-1到1之間，與漩渦室的幾何特性和水物性有關。

此外，小流量安注階段壓降系數主要與出口管與漩渦室直徑的比值有關。根據上述計算參數，反推至n=-0.368，屬于自由渦旋與強迫渦旋組合的混合渦旋。假設n不變，且保持阻尼器出口管徑不變，由上式可知，阻尼器半徑R越大，小流量階段壓降系數越大。

表2給出了不同阻尼器直徑，小流量安注階段，阻尼器壓損特性計算結果，并將計算結果繪制于圖10。由圖可知，在小流量安注階段，總壓降和壓降系數隨阻尼器直徑的增大而呈現增大趨勢。

圖10 小流量安注階段，阻尼器壓損特性

表2 不同阻尼器直徑下阻尼器壓損特性

綜上，只要具有類似結構特性的阻尼器，均可以獲得兩個差值較大的壓降系數。在先進安注箱阻尼器設計時，根據不同安注階段所需的流量比，選定阻尼器壓降系數比，再結合阻尼器的壓損特性，確定阻尼器的具體幾何參數。

3 結論

本文采用CFD軟件對具有典型結構特點的阻尼器開展了數值模擬，獲得了阻尼器水力學特性，分析了不同安注階段阻尼器的流場特點和壓降特性，獲得了影響阻尼器壓降特性的關鍵因素。所獲結論如下：

（1）阻尼器具有兩種明顯不同流場和壓降特點的水力學特性，大流量階段呈現交混壓降特性，小流量階段呈現漩渦壓降特性。小流量階段阻尼器壓降系數可達大流量階段的10倍。

（2）大流量階段，阻尼器壓降系數與大小管入口流速、大小管寬度、大小管與阻尼器切線夾角有關，在確定的幾何條件下，存在一個最佳流速比，使得阻尼器在大流量安注階段的壓降系數最小。

（3）小流量安注階段，阻尼器壓降系數與阻尼器直徑和出口管直徑之比有關，在出口管直徑不變的情況下，壓降系數隨阻尼器直徑的增大而增大。