反應堆頂蓋腔室流場實驗研究

危 華，謝 翀，肖衛明，汪春宇

（中廣核研究院有限公司 廣東省核電安全企業重點實驗室，廣東 深圳 518116）

反應堆冷卻劑在壓力容器內流動，主流在經過堆芯后進入上腔室，上封頭旁流[1]則通過堆芯吊籃上的噴嘴流水孔進入頂蓋腔室（又稱上封頭腔室），對頂蓋腔室及其內部構件進行冷卻，之后流入上腔室，與堆芯出口的冷卻主流匯合后流出反應堆壓力容器。頂蓋腔室內的水力參數測量是上封頭結構力學分析和流致振動評價的基礎，而水力學參數又取決于流場，因此，研究頂蓋腔室內的流場對反應堆的結構設計具有重要的意義。

國內外許多研究單位利用CFD 研究反應堆內的流場[2-5]，也有研究單位對反應堆開展了實驗研究，但多是利用縮比的模型進行[6-7]，或者研究的是反應堆的其他部位[8]。本研究在基于1∶1 原型的實驗本體上開展實驗，利用粒子圖像測速法（Particle Image Velocimetry，PIV）分別拍攝測量頂蓋腔室不同位置的流場，并將測量結果整合到一起，獲得了頂蓋腔室內的全流場細節，為上封頭的結構設計和安全分析提供了數據輸入。

1 實驗系統和實驗方法

1.1 實驗回路

本實驗的裝置示意圖如圖1 所示。該裝置中包括補水系統、主回路系統、電加熱系統和冷卻系統等。

圖1 實驗回路圖

實驗裝置中主泵出來的去離子水，分別流向泵旁路、實驗支路、穩壓器支路及換熱器支路，實驗支路的去離子水經流量計和實驗本體后，與穩壓器、換熱器的支路流體混合并回到主泵，形成閉合的流動循環。

1.2 實驗本體

本研究在1∶1 原型的基礎上，選取了一個噴嘴附近的500 mm 周向范圍和1/2 腔室的徑向范圍進行實驗本體的設計，如圖2 所示。實驗本體主體尺寸約為2.2 m×2.1 m×0.52 m，主要由噴嘴流水孔入口段、頂蓋腔室模擬體和出口段組成，在本體的拍攝面（對應頂蓋腔室豎直切面上）上有13 個可視窗口。實驗運行時本體豎直放置，去離子水從下往上從噴嘴入口段流入，經頂蓋腔室模擬體后，由出口段流出。

圖2 實驗本體和可視窗口位號

拍攝面和激光入射面部分采用有機玻璃制作，以方便PIV 設備拍攝測量本體內部流場。PIV 系統測量流場時，片光源經過激光入射面照亮拍攝面中的選定區域，CCD 相機布置在垂直紙面正對選定面的前方，PIV 系統就可以拍攝選定區域示蹤粒子的瞬時畫面并通過兩幀畫面的差異計算該區域的速度場。

1.3 實驗方法

為達到指定工況，本實驗需要調節的回路參數主要有實驗本體內介質的流量、溫度和壓力。介質的流量，可以通過調節主泵出口實驗支路電動閥和主泵旁路電動閥的開度以及主泵的頻率來調節；介質的溫度，可以利用實驗回路中穩壓器內的電加熱棒、主泵頻率及換熱器三者配合調節；介質的壓力主要通過穩壓器來調節。

實驗中流量、溫度和壓力的測量分別通過渦輪流量計、溫度熱電偶和壓力變送器來測量，實驗參數范圍見表1。

表1 實驗參數表

流場的測量主要使用PIV 系統，利用PIV 系統測試流場時，在回路中加入反光性良好且比重與流體相當的空心玻璃微珠作為示蹤粒子，使用激光片光源對被拍攝區域進行照明，之后使用CCD 相機獲取示蹤粒子的運動圖像，對示蹤粒子的運動圖像進行分析和處理，最終獲得所研究的二維流場的速度分布情況。

2 實驗結果和分析

2.1 整體流場

實驗本體一共有13 個可視窗口，圖2 根據行和列的不同對可視窗口進行了編號，并記錄了每個可視窗口的坐標范圍。

圖3 是在流量59.6 m3/h 條件下經過拼接合成的總體速度場圖（其他流量工況下的流場情況基本類似），該流量工況下以噴嘴喉部為參考截面的雷諾數約為75 萬。噴嘴流水孔和周圍壁面可以看成一個半封閉沖擊射流區域[9]，從噴嘴出來的水幾乎是貼著腔室左側壁面的，這使噴嘴上方自由射流區的流場變得更加紊亂，加上其速度梯度較大，使得“11”窗口已無法準確拍攝測量得到該區域的流場，因此本文給出的流場圖不包含該噴嘴出口正上方的數據，不過圖4 仍可以明顯看到自由射流區對周圍的介質以及相應的動量、能量的裹攜效果[10]。水介質從噴嘴出來進入頂蓋腔室模擬體后，沿著頂蓋腔室模擬體內壁面流動，一直到可視窗口“44”位置的后半段才發生明顯脫壁現象，這為上封頭旁流對頂蓋腔室的冷卻創造了較好的條件。沿著壁面方向越到下游或者垂直壁面方向離壁面越遠，流速越小。腔室模擬體在位置“23”位置形成了一個較大的渦，頂蓋腔室原型因為含有內構件，其內部渦的位置可能和本文有所區別。由圖5 到圖6 可知，“14”和“44”位置也各形成了一個較小的渦，這2 處渦的形成和腔室模擬體右側壁面有關，而頂蓋腔室原型右側壁面實際為對稱中心面，情況將更為復雜。

圖3 流量59.6 m3/h 條件下的整體速度場及近壁面速度選取區域

圖4 位置“11”處的速度場

圖5 位置“14”處的速度場

圖6 位置“44”處的速度場

2.2 近壁面流速分布

圖7 是腔室近壁面的流速分布圖，可視窗口的位號在該圖橫坐標上方，近壁面的選取區域是圖2的白線所經過的位置。可以發現，越到下游，整體流速越小，這和前面整體速度場圖得到的結論一致；“21”和“311”因為包含少部分沖擊區和大部分壁面射流區，導致這2 個區域的速度波動和梯度較大，其中“21”窗口在流量59.6 m3/h 以上的數據已無法準確測得，“44”區域的速度梯度大是受右側壁面的影響；比較這5 條曲線，可以發現，在“311”區域，噴嘴入口流量越大，腔室總體速度越大，其他區域速度和流量的關系并不明顯。

圖7 腔室內壁面附近的流速分布

2.3 流量對總體流速的影響

入口流量從53.0 m3/h 變化到72.9 m3/h 時，整體腔室內的流場特征基本一致，只是腔室內的總體流速發生了變化，本文選取每個流量工況下整個流場速度的中位數來代表該流場速度的總體水平，得到整體流速和入口流量的關系曲線如圖8 所示，由圖8 可知，總體流速和入口流量的關系接近一條直線，入口流量越大，整體流速越大。

圖8 總體流速和噴嘴流量的關系曲線

3 結論

通過在1∶1 頂蓋腔室實驗本體上開展水力學實驗研究得到以下結論。

1）水介質從噴嘴出來進入頂蓋腔室模擬體后，沿著頂蓋腔室模擬體內壁面流動，一直到靠近頂蓋腔室中心線位置才發生明顯脫壁現象，這為上封頭旁流的對頂蓋腔室的冷卻創造了較好的條件。

2）腔室模擬體內瞬時流場一直在變化，在模擬體中心、模擬體右上方和模擬體右下方分別形成了“一大兩小”的3 個渦，而頂蓋腔室原型因為含有內構件，且右側壁面位置實際為對稱中心面，情況將更為復雜。

3）腔室內的流體速度的分布并不均勻，總體而言，沿著壁面的主流速方向越到下游，或者垂直壁面的主流速方向離壁面越遠，流速越小。

4）流量變化時，整體腔室內的流場特征基本一致，只是腔室內的總體流速的大小發生了變化。總體流速和入口流量的關系接近一條直線，隨著入口流量的增大，腔室模擬體內水介質的整體流速越大。