借助CFD方法的燃料转运通道热工水力实验的台架设计

毛喜道，郭 强，刘 洋，贾海军

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；

2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084）

借助CFD方法的燃料转运通道热工水力实验的台架设计

毛喜道1，郭 强1，刘 洋2，贾海军2

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；

2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084）

核电厂安全设计中，需要考虑燃料转运过程中的热工安全问题。具体而言，需要研究复杂几何结构内发生于狭窄水平流道的有加热源的自然循环流动传热过程。借助计算流体力学（CFD）方法，对流动传热过程进行了预研，并据此选定了重点研究区域和关键物理现象。结合实验需求，设计了专用的热工水力实验台架，并根据相似理论分析了实验段与原型之间的差异，以及由此引入的误差，为开展进一步的实验研究奠定了基础。

CFD；热工水力；实验台架

燃料转运通道是位于核电站燃料厂房和反应堆厂房之间的水下运输燃料组件的通道。在设计燃料转运装置时，需考虑持续发热的乏燃料组件在假想的事故条件下，如果长时间滞留于燃料转运通道中，是否可得到充分且及时的冷却，从而避免发生局部过热的风险。传统的基于集总参数的分析方法难以针对局部特征进行准确预测，对于流道结构复杂的流动传热过程，通常需利用实验方法获得可信的数据基础。然而，考虑到各种现实条件的制约，实验设计阶段通常需进行物理模型的简化和对重要现象的分析。CFD方法作为一种有效的模拟手段，本工作将其引入到以实验台架设计为目的的预研工作中。

1 研究背景

燃料转运通道的位置如图1所示。燃料组件放倒后，通过两大型水池之间连接的燃料转运通道，完成燃料组件的卸出或装入操作。

图1 燃料转运通道的位置Fig.1 Location of fuel transfer tube

燃料组件水平穿过转运通道时，由带有挖孔的承载器和运输小车承载和保护。在假设的事故条件下，运输机构卡在通道内无法移出，只能借助通道内水平方向的自然循环带出燃料组件的余热。图2示出燃料转运通道内燃料组件周围的流道。

图2 燃料转运通道内燃料组件周围的流道Fig.2 Flow path around fuel assembly in fuel transfer tube

水平狭窄通道内的自然循环流动传热问题相关报道较少，尤其是本课题背景下还要考虑特定形状的复杂流道对流动传热过程的影响。为此，需专门设计和建造实验台架，开展相关热工水力问题的深入研究。结合所研究问题的工程背景，实验关注的核心问题是燃料棒表面温度，以及用以冷却燃料棒的水平自然循环流动传热过程，尤其是燃料棒周围的局部流动传热现象。因此，需确保经简化设计的实验台架，能得到具有包络性特征的实验结果，同时具有与工程原型中相类似的流动传热现象。

2 数值模拟

为识别主要现象，确定重要影响因素，选取重点研究区域和正确设置实验的边界条件，用以支持实验方案的设计，以CFD程序为主要工具，对转运通道内的流动传热过程进行模拟。

2.1 计算模型和网格

参考前期研究成果［1－2］，可确定燃料组件处于转运通道中部时，热工安全分析更具有包络意义，同时也发现通道直径、承载器挖孔型式和燃料组件的发热功率对自然循环流动强度具有很明显的影响，因此对于CFD模拟和实验研究，需着重考虑这几项重要参数的偏差控制。基于上述分析，参照典型的工程设计参数，建立了关键几何特征尺寸1∶1的CFD计算模型，从而可对燃料组件和周围狭窄流道进行细致的反映。图3为流体域物理模型示意图。

图3 流体域物理模型示意图Fig.3 Schematic of physical model for fluid zone

对燃料棒附近的流体域进行细致的网格划分，考虑到流动状态可能处于层流、湍流和过渡流态，为适应SST模型（剪切应力模型）的网格要求［3］，划分了较密的边界层网格。图4为燃料棒周围网格示意图。

2.2 计算条件和结果

参考工程设计中若干典型的事故工况假设，基于数值模型进行了一系列的计算模拟。计算工况边界条件列于表1。

通过计算表明：两侧水池温度相等时，通道内的流场温度场形状基本对称；两侧水池温度不相等时，通道内不同水层存在明显的方向性，上层高温流体流向低温水池，下层低温流体流向高温水池。两侧水池水温相同和不同的通道内温度场示于图5。

图4 燃料棒周围网格示意图Fig.4 Mesh schematic around fuel rod

表1 计算工况边界条件Table 1 Boundary conditions of computing cases

相应地，燃料组件表面温度分布也表现出不同的特点，由于两侧水池温度不相等时，通道内不同水层存在的明显方向性，轴向流动会对组件表面温度场产生明显的偏移作用。两侧水池水温相同和不同的燃料组件表面温度场示于图6。

图5 两侧水池水温相同（a）和不同（b）的通道内温度场Fig.5 Temperature field in tube with equal（a）and different（b）temperatures in both sides

图6 两侧水池水温相同（a）和不同（b）的燃料组件表面温度场Fig.6 Temperature field on surface of fuel rods with equal（a）and different（b）temperatures in both sides

虽然从宏观的流场和温度场来看，两类工况下其物理场形状和轴向流动方向有明显的差别，然而分析燃料组件表面最热点位置以及径向的流动传热形式时，却都存在类似的结论，即最热区域处于燃料组件的中段，且在此界面上，温度最高点位于承载器上顶角远离顶部开孔的位置。关于径向的流动，两种工况的计算结果展示了基本相同的流动传热模式，即冷水自承载器两侧壁开孔流入，经组件加热后，上升至顶部开孔处流出承载器，整个流场展现出相当好的对称性，最热的位置出现在承载器上顶角的位置，此外，组件顶部的燃料棒普遍处于较高温度的冷却剂之中，造成壁面温度较高，计算结果如图7所示。

3 台架设计

3.1 实验段选取和关键现象分析

对于流动传热问题，关键是截取重点研究区域，以及分析主要的流动传热现象，进而根据实验目的，并参考实验条件，设计和实施实验任务。

结合工程背景，需要研究的重点区域应是冷却条件最不利、最可能出现燃料包壳表面高温的流体域。根据CFD计算模拟获取的信息发现，无论两侧水池温度相同与否，燃料包壳表面温度最高点总是处于转运通道中段的区域，于是，在实验设计中可以仅重点考虑和验证模拟转运通道的一小段流道，而无需全部模拟整个通道以及两端的水池。对于两侧水池温度相等的工况，最热区域基本处于通道正中；虽然两侧水池温度不相等的工况下，因通道内存在明显的温度分层，且上层高温流体具有明显的单向流动特征，使得高温区分布情况发生相应的轴向偏移，但其燃料包壳和流体域的高温段仍落在中部附近的位置，参考图6的计算结果，高温区的轴向偏移范围不超过1个孔间距，因此在实验设计中，实验段可涵盖3个孔间距的轴向长度，以充分包络可能出现最高水温和壁温的流道区域。

图7 两侧水池水温相同时的通道径向截面温度场Fig.7 Temperature field on cross－cut section in tube with equal temperature in both sides

根据CFD计算模拟结果，可分析得出流动传热现象的关键影响因素和特征。对于传热问题，主要的影响因素是加热边界条件及自然循环的流动情况（包括流动的矢量场分布和湍流、层流等流动状态）。参考图7，对流动对传热的影响程度而言，相比轴向流动，径向流动会对温度场分布带来更决定性的影响。另外，由于径向流动涉及到复杂的棒束，要准确反映棒束扰流以及从层流到湍流的转捩过程，在实验设计中，径向的流道形状应尽量保持与原型一致，以确保各类复杂现象的相似。

3.2 实验台架方案设计

基于对关键研究区域和物理现象的分析，实验台架的实验段设计为轴向长度1m左右，可对原型设计中3个孔间距范围内机械结构完整模拟，径向截面上的几何流道为1∶1模拟（包括承载器、小车的挡板形状、定位，燃料棒束的直径、间距等）。除此之外，结合实验内容，配套安装热电偶、压力表、流场示踪剂注入口和照明、摄像装置等。此外，为模拟合适的边界条件，需配备水温控制系统（加热器和冷却器）和燃料模拟发热的加热装置。在实验中，为维持稳态实验中的能量守恒，燃料模拟发热装置正常工作的同时，冷却器需要相应的实时调节排热功率，防止实验装置持续升温。图8为实验装置示意图，其中，实验段部分参考原型的设计型式（图2）。

3.3 相似分析和限制条件

对于轴向流动问题，涉及到与流动传热相关的本构方程如下。

连续性方程：

动量方程：

流体能量方程：

固体能量方程：

流－固边界条件：

图8 实验装置示意图Fig.8 Schematic of experiment facility

通过参数无量纲化，可整理出方程包含的物理量相似准则数群［4］如下。

Richardson数为：

阻力数为：

修正的Stanton数为：

时间数为：

Biot数为：

热源数为：

几何相似群如下。

无量纲轴向长度比为：无量纲流通面积比为：类似地，对于径向流动问题，涉及到与流动传热相关的物理量相似群：Nu、Re、Pr；几何量相似群：θT、θL（栅距θ＝s／d）。

受到实验条件的限制，实验装置仅模拟了原型装备流道中央附近的一部分区域，轴向流动被极大削弱，并且仅能开展常压范围内的实验，而不能完全模拟0.2MPa的环境压力，此外加热装置只能模拟3×3棒束的加热范围，由此也会带来一定的失真。为定量评价失真程度，定义了如下的计算公式，其中，下标m表示模型中的参数，p表示原型中的参数，R表示模型与原型中同名相似准则的比值，即：

ψR不为1时，则代表发生了失真。

对主要相似数进行计算，并对不为1的量进行失真度分析，结果列于表2。

基于上述的分析结果表明，实验设计可相当好的符合原型设备的特征，可通过实验反映与原型一致的物理现象和重要流动传热问题。由于实验条件的局限，会在某些工况下，因物性参数不同或加热方式的差别，引入一些失真，但通过定量分析表明，与传热关系密切的Nu及与流动关系密切的Re均呈现略有偏小的趋势，结合本工作的工程背景，这种失真趋势对研究结果而言是偏保守的。

表2 相似分析与失真度Table 2 Similarity analysis and distortion

续表2

4 结论

1）利用CFD程序对燃料转运通道热工水力研究课题进行了预研，展示了研究对象在关心的工况下主要的物理过程、流动传热现象以及自然循环循环流动方式。

2）基于数值模拟结果，分析了重点需要关注的区域，以及涉及到的主要流动传热现象。

3）为确保重点区域的主要物理现象得到较为全面和准确的反映，选定了通道中央附近，一定长度的复杂流道作为重点研究对象，并依照径向机械结构1∶1的原则进行实验段设计。

4）针对主要的流动传热现象进行了相似分析，整理出实验设计中涉及到的主要相似准则数以及几何相似群。

5）考虑到实验条件的局限性，结合原型设备的相关参数特点，进行了失真度的分析。分析结果表明，设计的实验装置可很逼近模拟研究对象的流动传热过程，对于存在失真度的相似参数，结合课题的工程背景，预计实验结果应是偏保守的。

［1］ GUO Qiang.Numerical research on complex convection in the fuel transfer channel［C］∥ASME Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering.Xi’an：ASME，2010.

［2］ GUO Qiang，WANG Hui.Numerical simulation on 3Dflow in the fuel transfer canal and local flow field analysis［C］∥ASME Proceedings of the 21th International Conference on Nuclear Engineering.Chengdu：ASME，2013.

［3］ ANSYS Inc.ANSYS FLUENT theory guide［M］.USA：ANSYS Inc.，2011.

［4］ 杨世铭，陶文铨.传热学［M］.3版.北京：高等教育出版社，1998.

Design of Thermal－hydraulic Experiment Facility in Fuel Transfer Tube with CFD Method

MAO Xi－dao1，GUO Qiang1，LIU Yang2，JIA Hai－jun2
（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing100840，China；2.Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China）

The thermal－hydraulic risks of fuel assemblies during fuel transfer process should be considered according to the nuclear safety design regulations.Specifically，the natural circulation in complex flow paths，namely，the flow and heat transfer in narrow and horizontal region，should be investigated.Based on pre－research by computational fluid dynamics（CFD）method，the key section in the prototype was selected and main phenomena existed in this section were identified.Thereby the experiment facility was designed according to the requirements of experiment.Based on similarity theory，the deviation analysis between facility and prototype suggests that the errors led by deviation can be tolerated，and this facility lays a basis for further experimental research.

CFD；thermal－hydraulics；experiment facility

TL332

A

1000－6931（2015）02－0304－07

10.7538／yzk.2015.49.02.0304

2014－05－26；

2014－11－20

毛喜道（1977—），男，山东青岛人，高级工程师，硕士，核电厂设计专业