示范快堆堆坑通风冷却三维数值模拟

王予烨，冯预恒，周志伟

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

示范快堆堆容器整体置于钢筋混凝土浇筑的堆坑中，堆坑是反应堆一回路系统最外层热边界。由于钠冷快堆堆内温度很高，为减少堆内热量损失，堆容器及堆顶贯穿件外部有保温层覆盖，但上述设备向堆坑的散热量仍较大。为保证堆坑混凝土温度不超过70 ℃的限值[1]，设置有堆坑通风系统对堆坑内设备进行强迫循环冷却。另外，保温层是主容器、主泵支承和热交换器支承等大型贯穿件的热边界，通风系统也应尽量使保温层温度分布更为均匀，减少上述设备因不均匀温度场产生的热应变。

对于堆坑内部温度场数值研究已有很多。马崇扬等[2-3]对中国实验快堆堆坑在丧失外电源事故下的温度分布进行了二维数值模拟，并以中国实验快堆堆坑为原型，采用有限容积法对具有导热的竖环形封闭腔内自然对流进行了二维层流稳态数值研究。乔雪冬等[4]对全厂断电事故工况下，中国实验快堆堆容器温度场及散热进行了三维数值模拟。李朝君[5]利用CFD软件计算了中国实验快堆堆容器温度场。Zmindak等[6]对核反应堆外部的堆坑混凝土结构进行了热力耦合瞬态分析。Hung等[7]以SAFR为设计参考，对反应堆非能动空冷系统进行了三维数值模拟。以示范快堆堆坑为对象的三维数值研究尚不全面。

为检验示范快堆堆坑通风系统布置的合理性，探寻优化方向，并得到堆坑内部详细的流场及温度场，为一回路系统热工计算提供边界条件，本文使用CFD软件对正常运行工况下的示范快堆堆坑进行三维稳态数值模拟。

1 堆坑结构及通风系统

堆坑整体呈圆柱状，顶部由堆顶固定屏蔽密封，固定屏蔽下方是堆容器锥顶盖，锥顶盖上有27个大小不一的贯穿件伸入固定屏蔽，堆容器主体部分是主容器和保护容器组成的双层结构，堆容器及贯穿件外部由保温层覆盖，堆容器及堆内构件重量由下支承裙座传递给堆坑支承基础。堆坑空气流域高为19 895 mm，混凝土内壁半径为8 710 mm，堆容器保温层外壁半径为8 010 mm。堆坑结构如图1所示。

堆坑通风系统流程如图2所示。冷却空气进口分为3类：第1类为堆坑下部进口，共10个，半径为198 mm，在堆坑混凝土内壁下部邻近下裙座位置沿周向排布；第2类为下裙座，进口1个、出口5个，与堆坑直筒段流域连通，进、出口半径皆为300 mm；第3类为堆顶固定屏蔽进口，共27个，冷却完堆顶固定屏蔽内部的空气沿固定屏蔽与贯穿件间的环隙进入堆坑。冷却空气对堆坑内设备进行冷却后，由堆坑10个出风口排出，出风口在堆坑混凝土内壁上部邻近锥顶盖位置沿周向排布，半径为274 mm。

图1 堆坑结构Fig.1 Structure of reactor pit

图2 堆坑通风系统流程Fig.2 Flow of reactor pit ventilation system

2 计算模型

堆坑内部结构复杂，尺度变化大，锥顶盖区域进风口较多，排布密集，为模拟锥顶盖区域真实的进风状态，减少进口间的相互影响，保留了贯穿件与固定屏蔽竖直的环隙流道，建立了与示范快堆堆坑及保温层外壁尺寸1∶1的计算模型。

2.1 计算边界条件

固定屏蔽中的冷却空气由贯穿件顶端的环状进口进入堆坑，计算模型如图3所示，进口边界取值列于表1。

图3 计算模型Fig.3 Computational model

进口类型进风量/(m3·h-1)进风温度/℃堆坑下部进口1 73018下裙座进口5 00018支承径进口14 10655提升机进口68055换料机进口39055IHX进口4 48055电离室进口15055液位计、温度计进口22055主泵进口92055DHX进口1 29055充排钠管进口12055

由于堆内温度分布复杂，堆容器不同部件工作环境温度差异较大，计算时为体现不同贯穿件间的温差，取其各自内壁的平均温度作为计算输入，锥顶盖壁面分类如图4所示，平均温度取值列于表2。主容器内壁温度取其正常运行工况下的最高温度380 ℃，保证计算的保守性。

2.2 网格模型及计算方法

本文采用Hypermesh软件对流体域边界进行面网格划分，并对冷却空气进出口、堆顶贯穿件外壁等流动换热较剧烈位置的网格进行加密。将面网格导入CFD软件Fluent的meshing模块生成了对复杂几何适应性好的多面体网格。

1——DHX支承内壁；2——IHX支承内壁；3——支承径内壁；4——电离室内壁；5——换料机内壁；6——提升机内壁；7——温度计、液位计内壁；8——主泵支承内壁；9——锥顶盖内壁；10——充排钠管内壁图4 锥顶盖壁面分类Fig.4 Classification of conical top cover wall

壁面编号平均温度/℃13512309312141625100610071838300934710215

网格敏感性分析及网格模型如图5所示。由图5a可见，网格数从400多万变化到900多万时，空气出口流量、出口平均温度和混凝土内壁平均温度基本没有变化，因此本工作选择的网格数为700万，最大单元扭曲率为0.7。网格模型及局部加密如图5b所示。

使用Fluent软件做数值计算，流体介质为空气，设置为理想气体，参照文献[8-11]中计算参数设定，采用RNGk-ε湍流模型，选取Enhanced wall treatment壁面函数处理近壁面流动[12]，压力速度耦合选用SIMPLE方法，对流插值格式设定二阶迎风格式，空气出口为压力出口，指定为静压(gauge)。为使计算更为贴近实际，在竖直方向上加入重力，辐射换热模型选取DO模型。

图5 网格敏感性分析(a)及网格模型(b)Fig.5 Analysis of mesh sensibility (a) and mesh model (b)

a——圆柱截面；b——空气速度矢量图；c——修改标尺云图；d——空气温度分布；e——汇集线下部温度分布图6 堆坑竖直流域流场及温度场分布Fig.6 Distribution of flow field and temperature field in vertical flow region of reactor pit

3 数值计算与结果分析

3.1 堆坑竖直流域流场及温度场

为探究堆坑流域整体特征，选取图6a所示的混凝土内壁与堆容器间的圆柱截面，绘制了截面上的流场与温度场。由图6b可看出，整体流域可分为3个区域：1区为锥顶盖流域，由于冷却空气出口位于此区域，堆坑上下进口的空气向此区域汇集，互相搅混后流动向出口偏移；2区为直筒段流域，由下部进口进入的空气在此区域内的流向均匀，竖直向上流向出口；3区为下进口流域，堆坑下部进口空气与下支承裙座5个出口流出的空气在此区搅混，空气沿进出口向四周散开。图6c为修改速度标尺后的云图，可明显看到周向流速的差异，受出口低压影响，出口下方带状区流速稍高。

截面上的空气温度分布如图6d所示，图中上下进口空气汇集线两侧温差明显，这是因为上部固定屏蔽进口空气温度已达到55 ℃，且上部存在较多高温贯穿件，导致上部空气温度较高。图6e为汇集线下部空气温度分布，由于下部进口空气上升过程中带走堆容器释热，所以温度逐渐升高。

3.2 空气出口附近流场

堆坑内空气最终都由上部10个出口排出，因此空气出口附近就是上下空气汇集区。图7示出出口位置与流场。图7b为出口纵切面流场云图，图中箭头1、2、3分别表示贯穿件进口空气、支承径进口空气、堆坑下部进口空气流向。结合图7a可知，由于出口在竖直方向上位置的影响，冷却锥顶盖区域空气的主要来源为固定屏蔽进口的高温空气，而堆坑下部进口空气参与较少，且锥顶盖区域空气流向近似于横向流，这会使上下进口空气混合不均匀，导致上部空气温度较高，锥顶盖冷却效果减弱，所以出口高度位置有待优化。

a——出口竖直方向位置；b——出口纵切面速度矢量图7 出口位置与流场Fig.7 Outlet position and flow field

3.3 锥顶盖区域流场及温度场

a——锥形截面示意；b——截面速度分布；c——截面速度矢量图图8 锥顶盖截面与流场Fig.8 Section and flow field of conical top cover

锥顶盖截面及流场示于图8，由图8b、c可知，贯穿件两侧及间隙处的流速要大于周围区域，且在大型贯穿件围成的红圈区域内空气流量明显很少，且流向多变，这些区域的空气流通不畅。原因是大尺寸的贯穿件阻碍空气流动，流量大多向阻力较小的间隙处分配。

上述流场势必会影响温度分布。图9示出锥顶盖保温层温度分布，图中红圈内出现5个高温区，这是由于受到图7中流场影响，红圈区域的空气流通不畅，热量不能被及时带走，冷却效果减弱。

图9 锥顶盖保温层温度场Fig.9 Temperature field of thermal insulation layer of conical top cover

主泵及热交换器支承保温层外壁温度分布如图10所示。DHX保温层(图10a)呈现了内圈热外圈凉的温度分布，而IHX保温层(图10b)与主泵保温层(图10c)则为两侧肩部温度高，此趋势与图9中的5个高温区对应，在空气流通不畅的位置温度较高。

a——DHX保温层；b——IHX保温层；c——主泵保温层图10 主泵及热交换器保温层的温度场Fig.10 Temperature field of thermal insulation layer of main pump and heat exchanger

3.4 堆容器保温层及混凝土内壁温度场

堆容器保温层及混凝土内壁温度场如图11所示，保温层与混凝土温度均是沿高度递增，在锥顶盖区域温度升高明显。保温层最高温度为122.9 ℃，混凝土最高温度为50.7 ℃，均出现在上部堆坑出口附近。这是由于下部冷却空气上升过程中带走堆容器的释热，温度升高，导致了下部冷却效果强于上部。而上部高温区的出现主要是锥顶盖区域的高温空气作用的结果。由图11a可见保温层周向也存在温差，结合图6b可知，这是直筒段空气周向流速差异所导致的。

图11 堆容器保温层(a)及混凝土(b)的温度场Fig.11 Temperature field of reactor vessel’s thermal insulation layer (a) and concrete (b)

3.5 下裙座区域流场及温度场

下裙座区域的流场及温度场如图12所示，下裙座区域内的流速分布很不均匀，这是因为下裙座为高流速单进口，冷却空气冲入下裙座后，被球形的下封头分流，进口远侧半边的流速要高于近侧。这种流速的不均匀性也造成了堆容器下封头的温度不均匀，高温区出现在进口冷却空气流动方向两侧。

a——下裙座空气进口纵剖面速度云图；b——下裙座空气进口横切面速度云图；c——下封头保温层外壁温度分布图12 下裙座区域的流场及温度场Fig.12 Flow field and temperature field in lower skirt region

4 结论

本文使用CFD软件对正常运行工况下示范快堆堆坑流域进行了三维数值模拟，得到如下结论。

1) 计算得到堆坑内空气流场、温度场以及保温层外壁、混凝土内壁的温度分布情况，混凝土最高温度为50.7 ℃，留有一定的安全裕度。

2) 堆坑空气出口附近为上、下进口空气的汇集区，影响冷却空气的混合，目前锥顶盖区域保温层温度分布很不均匀，建议将出口下移，以改变锥顶盖区域空气流向，改善此区域保温层冷却效果；直筒段空气周向速度存在差异，建议调整堆坑上、下进出口周向相对位置，使竖直流场分布更为均匀。

3) 下支承裙座内流速差异较大，下封头保温层温度分布不均匀，建议调整下裙座进出口相对位置或个数，减小进口流速，使流场更为均匀。

本文计算所得保温层外壁温度数据可作为主容器及贯穿件支承热工计算外部边界条件，堆坑内流场与温度场分布特征可为示范快堆堆坑优化设计提供参考。