水冷固态增殖包层模块冷却剂管系流量分配研究

王 迪，佟立丽，曹学武

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240)

水冷固态增殖包层模块冷却剂管系流量分配研究

王 迪，佟立丽，曹学武

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240)

包层是磁约束聚变堆中实现氚增殖和能量导出的重要部件，针对包层模块中，由于复杂的串并联流道结构所导致的冷却剂流量分配不均匀问题，采用一维热流体流动分析软件Flowmaster，建立了水冷固态增殖包层子模块的冷却剂流道结构模型。对运行工况下包层冷却剂流量分配进行模拟，并与相关试验以及模拟结果进行比对。模拟结果表明，所建立的子模块一维模型各部分冷却剂温升和压降均与设计值吻合，模型能够准确的描述包层冷却剂流动特性。在稳态运行工况下，包层子模块侧壁支管出现较为明显的流量分配不均匀现象，流量最大值与最小值偏差达到5%。位于侧壁上下两端的集合管对流量分配均匀性起重要作用，保持矩形集合管横截面积不变，横截面长宽相等时流量分配最为均匀。当集合管采用不同形状设计时，圆形管道流量分配均匀性要好于矩形管道。

水冷固态增殖包层模块；复杂管系；流量分配

目前，国际热核聚变实验堆(ITER)计划参与各方提出了多种增殖包层设计方案，其中水冷固态增殖包层(WCSB)设计因其冷却剂运行工况与压水堆接近，具备成熟运行经验，用水作冷却剂具有可避免由液态金属冷却剂导致的MHD效应以及水的获取成本相对低廉等优势，作为增殖包层研发的对象，也是未来增殖包层设计的重要选择之一[1]。在ITER布置方案中，WCSB以测试模块的形式设置在ITER装置的赤道窗口，一个测试包层模块(TBM)由两个相同的子模块所组成[2]。冷却剂从包层背板下方入口流入子模块，依次流经第一壁、侧壁、氚增殖区和中子倍增区四个部分的管路，最后从背板上方出口流出。包层各部分流道均为并联通道结构，即通过集合管将冷却剂分配到各根支管当中，从而对包层整体进行冷却。因此，能否确保冷却剂均匀分配，避免包层局部过热，确保聚变堆安全运行与传热效率，就成为包层模块并联通道结构设计的关键问题。

在并联通道流量分配数值模拟研究方面，大多采用三维计算流体力学分析软件。针对中国氦冷固态增殖包层子模块后板分配腔流动特性，相关学者采用Fluent建立模型，发现氦气流量分配的不均匀性，并导致包层结构材料的温度高于许用温度[3]。JAEA亦采用Fluent对日本水冷固态增殖包层第一壁支管冷却剂流量分配进行了模拟[4]，模拟结果与实验结果基本吻合。上海交通大学采用计算流体力学方法对水冷包层子模块第一壁冷却剂管系建立了三维模型，通过分析发现，第一壁入口集管存在复杂的流动行为，冷却剂可以明显区分为主流和逆流两部分，并且主流进入冷却管的位置是影响流量分配的主要因素，逆流区形成了一系列次级涡流和沿管壁的环向流动[5]。目前，使用三维CFD分析软件对包层冷却剂流动规律进行的研究主要基于包层模块某一局部结构的建模。对于冷却剂流道结构十分复杂的包层模块整体，冷却剂流道结构十分复杂，使用三维CFD方法存在困难；而对于包含有多个增殖包层模块的冷却剂扇段的流动规律研究，CFD分析方法则更加困难。因此，着眼于整个管路系统的一维流动分析软件，在包层模块整体乃至冷却剂扇段的流动规律研究方面，比三维分析软件更加具有优势，同时一维流动分析软件中具备的充足的流道元件模型，也保证其能够反映包层管系的布置特点。

本文基于一维热流体流动分析软件Flowmaster，针对水冷增殖包层子模块冷却剂流道建立模型，通过比对模拟计算结果与相关实验数据验证了所建模型能够准确描述包层子模块流量分配规律，针对流量分配出现较为明显不均匀现象的侧壁部分流道，适当改变侧壁流道集合管形状，有助于使流量分配趋于均匀，降低包层局部过热的危险。

1 包层侧壁流量分配模拟与实验比对

首先建立水冷包层子模块侧壁(side wall, SW)部分模型，侧壁冷却剂流道是由7根支管和两根集合管组成的U型并联通道结构(冷却剂出入口都位于1号支管一侧，集合管中冷却剂流动方向则相反)。图1为建立的侧壁一维流动模型，模型中支管与集合管等均直接选择程序元件库中相应元件，再将各个元件相互连接构成整个侧壁模型。侧壁入口设置流量边界条件1kg/s，出口设置压力边界条件0.3MPa，与7号支管相连的三通管左端设置零流量边界条件，选择不可压缩流体，流动视为绝热过程。

图1 Flowmaster建立侧壁验证模型Fig.1 Side wall built by Flowmaster

通过模拟，可得到7根支管的流量分配结果，将其同JAEA完成的侧壁流量分配特性实验值及其模拟值[6]进行比较，如图2所示。通过比对分析可见，稳态模拟的流量分配结果与JAEA模拟值吻合较好，都体现了U型并联通道的流动特点，距离入口越远，支管流量越小的趋势。表1列出了用两种数值模拟方法得到的支管流量与实验结果的误差范围对比，误差范围比较接近，说明了一维模型的可用性。

图2 不同数值模拟方法结果比较Fig.2 Comparison of three simulations

管道编号误差/%JAEASimulation误差/%Flowmaster1-2.5-4.324.93.53-3.9-4.142.13.15-7.9-6.662.23.676.47.9

2 水冷包层子模块模型建立

水冷固态增殖包层子模块冷却剂流道由第一壁(FW)、侧壁(SW)、最靠近等离子体增殖区(NP)、增殖区其余流道(TO)和背板(BP)五个部分的并联通道所组成。

冷却剂液态水在包层子模块内由下方入口进入，入口温度为280℃，压力为15.5MPa，依次流经第一壁、侧壁、最靠近等离子体增殖区、增殖区其余流道和背板，最后从上方出口流出，出口温度为325℃，表2列出了这五个部分的并联流道结构参数和冷却剂流动方向。基于上述设计数据，建立包层子模块模型，如图3所示。

表2 包层子模块各部分结构参数与冷却剂流动方向

图3 包层子模块模型Fig.3 Model of sub-module

根据JAEA设计报告中的要求，水冷固态增殖包层子模块第一壁承受平均表面热流密度设计值为0.3MW/m2，中子壁负载0.78MW/m2，流入单个子模块的冷却剂质量流量为3.08kg/s，温升从280℃到325℃，整个流动过程中一共带走0.78MW热量，冷却剂总压降约为120kPa，温度变化为从280℃到325℃，热流密度沿管道长度方向均匀分布。添加15.5MPa压力下液态水的物理性质曲线，进行稳态计算，得到的各部分压降与温升模拟值同设计值的对比分别如表3和表4所示。对比包层子模块各部分压降与温升模拟值和设计值，两者数据基本吻合，子模块压降与温升误差均接近1%，因此建立的模型能够准确描述子模块流道内冷却剂在运行工况下的流动状况。

表3 包层子模块压降模拟值与设计值对比

表4 包层子模块温升模拟值与设计值对比

3 水冷包层子模块流动特性分析

3.1 子模块稳态流量分配

对建立的包层子模块模型进行稳态运行工况下的模拟，分别得到子模块各部分并联通道支管的流量分配。

图4为稳态条件下第一壁29根支管质量流量分配图，在第7根和第23根支管处流量出现两个峰值，而位于中间的13号～17号支管流量相对较小，流量分布与管道结构具有很大关系，峰值的出现是由于第一壁管道出口即连接第一壁上方集合管与侧壁上方集合管的90°弯管入口所处位置恰好与第7和23号支管最近所导致的。第一壁与侧壁连接处弯管结构如图5所示，圆圈中为第一壁出口位置。

图4 第一壁支管流量分配Fig.4 Flow distribution of FW

图5 第一壁与侧壁连接处弯管结构Fig.5 Joint of the FW and SW

图6 侧壁冷却剂流道结构Fig.6 Structure of SW coolant pipes

水冷包层子模块侧壁结构与JAEA完成的侧壁流量分配特性实验所采用U型并联流道结构设计方案有所不同，其结构更加接近Z型并联流道结构(集合管中冷却剂流动方向相同)，如图6所示。由于侧壁出口位于第9号支管的正下方，导致第9号支管的流量略高于第10号支管。如图7、图8所示，相比第一壁均匀的流量分配，侧壁流量分配体现出较为明显的差异，支管最大流量与最小流量相差接近5%，但仍然存在进一步改进的空间。不同支管中冷却剂由于流量分配不均匀所导致的温升差异为0.17℃，满足传热要求。包层增殖区流道分为最靠近等离子体部分和其余流道部分，其中最靠近等离子体部分为17根圆形截面支管并联流道，冷却剂从子模块两边侧壁流出后进入该区域下方集合管，分流进入支管以后再进入上方集合管，由于此并联通道中，冷却剂从下方集合管两端进入，流量分配与冷却剂仅从一端流入的Z型和U型结构都有所不同，如图9所示，支管流量整体分配均匀，体现出明显的轴对称特点。

图7 侧壁支管流量分配Fig.7 Flow distribution of SW

图8 侧壁支管出口温度Fig.8 Coolant temperature in outlet of SW

图9 增殖区流量分配Fig.9 Flow distribution of NP

冷却剂流出增殖区后，再次进入集合管，通过四根并联弯管后流入背板下方腔室，然后进入背板四条并联流道，在上方矩形集合管汇合后流入包层出口管道，完成包层整个流动过程，温度达到325℃。由于背板在子模块各部分中受热载荷最小，因此流道结构也较为简单，流量分配如图10所示，各支管流量分配差异接近1%。

图10 背板流量分配Fig.10 Flow distribution of BP

因此，通过模拟得到在运行工况下包层子模块流量分配，其中侧壁部分出现较为明显的流量分配不均匀现象，可进一步加以改进。

3.2 侧壁流量分配均匀性讨论

原侧壁集合管横截面为矩形，高度为50mm，宽度为10mm。现保持其横截面积不变，将高度减少而宽度增加。共选取5组不同的宽高比截面进行对比，不同截面形状下的侧壁总压降如表5所示。每根支管流量分配和压降变化趋势如图11、图12所示，当侧壁集合管截面积不变且截面形状始终为矩形时，正方形截面能够使侧壁总压降达到最小，同时各支管压降也更加均匀，由此产生的流量分配更加均匀，原侧壁结构所导致的支管流量差异达到5.4%，当截面为正方形时，支管流量差异减少至3.7%。

图11 不同矩形截面侧壁支管流量Fig.11 Mass flow rate of different rectangular pipes of SW

图12 不同矩形截面侧壁支管压降Fig.12 Pressure drop of different rectangular pipes of SW

在此基础上进一步改变集合管横截面形状，仍然保持截面积不变，将截面改为圆形，管径为25.2mm，将此结果与正方形截面结果和矩形截面结果进行比较，如图13、图14所示，当集合管截面为圆形时，流量分配均匀性要好于正方形截面，此时支管流量最大值与最小值仅相差3.2%。上述对侧壁结构的改进主要增大了集合管的水力学直径，减少了集合管摩擦压降，从而使集合管中的冷却剂每流经一根支管，向支管中分流的流量都更加趋于相等，因此支管流量分配也更加均匀。

图13 不同形状截面支管流量变化Fig.13 Pressure drop of different pipes of SW

图14 不同形状截面支管压降变化Fig.14 Pressure drop of different pipes of SW

4 结论

水冷固态增殖包层模块中，复杂工况和冷却剂流道结构所产生的并联流道流量分配不均匀现象会影响包层传热效率与运行安全。针对这一问题，本文基于一维流体分析软件Flowmaster首先建立了水冷包层侧壁冷却剂流道模型，将侧壁模型中支管流量分配结果同JAEA侧壁试验与数值模拟结果对比，三者符合良好，从而验证了所建模型描述流量分配规律的可用性。在此基础上建立了水冷包层子模块模型，并通过将子模块模型冷却剂压降和温升模拟值与设计值进行比较，两者基本一致，因此所建立模型能够反映冷却剂在包层中的流动特性。通过水冷包层子模块稳态流量分配模拟，得到包层第一壁、侧壁、增殖区最靠近等离子体流道、增殖区其余流道和背板5个部分冷却支管的流量分配。针对流量分配差异相对较大的侧壁部分，改变冷却剂流道集合管结构参数，研究其对流量分配产生的影响，将集合管截面形状由矩形改为相同面积圆形，有利于降低集合管摩擦压降，从而提高流量分配均匀性。但是在包层模块中，由于承担着比第一壁少很多的热负载，侧壁的设计主要着眼于减小壁厚以增大子模块内部空间，从而使子模块能够装载更多氚增殖剂与中子倍增剂，包层的氚增殖能力也相应增强。目前在厚度方向尺寸较小的侧壁集合管设计方案虽然不利于流量分配均匀化，但在提高氚增殖能力方面具有一定优势，因此也是一种可行的方案。

[1] Mikio Enoeda, Masato Akiba, et al. Overview of design and R&D of test blankets in Japan[J]. Fusion Engineering and Design. 2006, 81: 415-424.

[2] Mikio Enoeda, Hisashi Tanigawa, et al. Development of the Water Cooled Ceramic Breeder Test Blanket Module in Japan. Fusion Engineering and Design[J]. 2012, 87: 1363- 1369.

[3] 郝腾飞, 冯开明, 赵周, 等. TBM 子模块冷却剂流量分析及结构改进设计[J]. 核聚变与等离子体物理, 2008, 28(3): 213-217.

[4] K. Ezato, Y. Seki, et al. Thermo-hydraulic testing and integrity of ITER Test Blanket Module(TBM) First Wall mock-up in JAEA[J]. Fusion Engineering and Design. 2010, 85 :1255-1260.

[5] Lili Tong, Mufei Wang, Xuewu Cao. Flow Distribution Analysis of Water-Cooled Solid Breeder Test Blanket Module. Journal of Fusion Energy[J]. DOI 10.1007/s 10894-014- 9749-7.

[6] Yohji Seki, Yoichi Ohnishi, et al. Numerical Simulation of Turbulent Flow of Coolant in a Test Blanket Module of Nuclear Fusion Reactor[J]. Nuclear Science and Technology. 2011,2 : 139-142.

Study on Flow Distribution of Coolant Pipes for WCSB Module

WANG Di, TONG Li-li, CAO Xue-wu

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Test blanket module is a critical part of magnetic confinement fusion reactor to be used as tritium breeder and coolant. Aiming at flow distribution problem of coolant caused by complex structure of pipes in the blanket module of fusion reactor, this paper uses one-dimensional thermal fluid systems simulation software of Flowmaster to build sub-modules model of water-cooled solid blanket (WCSB). Flow distribution of the sub-module model in the operating condition is simulated and compared with design values and other relevant simulations. Simulation result shows that the pressure drop and temperature rise in each part of sub-module show good agreement with design value. The model can describe flow characteristics accurately. In operating condition, there is obviously non-uniform flow distribution observed in the side wall tubes. The mass flow rate difference between maximum and minimum is 5%. Manifolds on both ends of the side wall have an impact on flow distribution. Maintaining constant rectangular pipe cross section area, flow distribution is most uniform at square cross section area. Circular manifolds is more favorable to flow distribution.Key words: WCSB; Complicated pipes; Flow distribution

2016-11-21

国家磁约束核聚变能发展研究专项(2014GB122000)，国家自然科学基金(11375116)

王 迪(1992—)，男，甘肃省兰州市人，在读博士研究生，核能与核技术工程专业

曹学武：caoxuewu@sjtu.edu.cn

TL62

A

0258-0918(2016)06-0757-07