基于THTF稳态传热试验的LOCUST 1.2确认

袁红胜，徐财红，琚忠云，王　婷，曹志伟

基于THTF稳态传热试验的LOCUST 1.2确认

袁红胜，徐财红，琚忠云，王婷，曹志伟

（中广核研究院有限公司 反应堆工程软件研究所，广东 深圳 518026）

LOCUST是由中国广核集团有限公司（CGN）开发的热工水力系统分析软件。为支持LOCUST在压水堆LOCA等事故分析中的应用，进行了基于美国橡树岭国家试验室开展的THTF稳态喷放传热试验的确认。模拟和分析的稳态膜沸腾试验工况为3.07.9 B、3.07.9 N、3.07.9 W、3.07.9 H，涵盖了高、低质量流速和高、低压的试验条件。首先给出了试验的简短介绍，然后描述了该试验的LOCUST计算模型，最后通过计算结果与试验数据的比较，得出评估结论。评估结果表明LOCUST预测的CHF位置和棒表面温度总体合理，软件可用于模拟压水堆喷放阶段传热。观察到壁温的差异可能是由高估的夹带或壁传热引起的，进一步确认具体原因需通过测量更多参数（如夹带）的试验进行评估。

CHF；膜态沸腾传热；临界后传热；系统程序；

近十年来，我国针对先进压水堆开展了系列关键技术攻关，实现了包括工业软件在内的关键技术突破。中广核研究院在“华龙一号”研发过程中，开发了热工水力系统分析软件LOCUST。为了评估LOCUST软件模拟关键现象和系统热工水力响应的能力，进行了软件的验证和确认。软件确认通常采用全比例尺寸或部分比例尺寸台架下的分离效应试验和整体效应试验进行。对于特定关键现象或软件模型，一般采用边界条件清晰的分离效应试验进行软件确认。本工作是针对LOCA等事故中的重要现象临界后传热（post-CHF）现象开展的部分分离效应试验确认。

对临界后传热现象，国际主流热工水力系统分析软件ATHLET[1]、RELAP5[2]、TRAC-M[3]、TRACE[4]采用的KWU-Karlstein、THETIS boil-off、TPTF boil-off、OMEGA棒束、ORNL THTF、RIT加热管、Lehigh棒束、RBHT等试验进行临界后传热现象的评估。本文选取1981年美国橡树岭国家试验室（ORNL）在热工水力试验台架（THTF）开展的3.07.9系列高压高温稳态膜态沸腾传热试验[5]，通过对比LOCUST计算值与试验数据，评估LOCUST临界后换热相关模型对临界热流密度（CHF）和临界后换热现象的模拟能力，主要关注的参数为CHF位置及CHF点下游壁面温度。

1　试验介绍

1.1　试验回路

THTF 3.07.9系列稳态膜态沸腾试验是1981年美国橡树岭国家试验室在THTF上开展的系列试验之一[5]。该试验是为了研究压水堆LOCA下喷放阶段稳态传热现象，可用于确认软件对临界后传热现象模拟能力。试验台架由一个电加热的加压水回路组成，其内部含有64个全尺寸长度8×8排布的燃料棒束。棒束结构与17×17压水堆（PWR）燃料组件一致，加热段装有6个定位格架。加压水回路中主换热器内冷却下来的水通过泵抽送，经两个控制阀进入水平入口管段，随后经入口爆破片进入竖直管段。之后，经两段外部下降段管后进入下腔室，流入棒束通道进行加热，再经上腔室进入出口，最终进入主换热器冷却。进行稳态膜态沸腾试验前，通过试验台架改造将稳压器接点改至泵旁通管线。

1.2　试验段与测量

图1为THTF试验段含有64根电加热棒束，其中60根为电加热棒，4根为非加热棒，加热棒直径为0.009 5 m，棒间距为0.012 7 m，与典型的压水堆17×17燃料棒尺寸相同。THTF棒束轴向和径向加热功率分布平坦，轴向的加热长度为3.658 m。图中标示了格架和热电偶分布，在整个轴向上共25个热电偶测量位置，且通道上部更为集中。典型稳态条件下的测量精度如下：壁面温度测量不确定度为11 ℃，流量测量不确定为9×10-5m3/s，压力测量不确定度为0.041 4 MPa，热流密度测量不确定度为43.35 W/m2。

图1　棒束通道示意图

1.3　试验工况

针对弥散流膜态沸腾进行试验研究中，最终获得了不同热通量、流量和压力试验工况下稳定的膜态沸腾。3.07.9系列工包含22组试验，本文选取稳态膜态沸腾3.07.9 B、3.07.9 N、307.9 W、307.9 H进行了模拟，用于确认LOCUST中的棒束临界后传热模型。所选工况试验参数如表1所示，涵盖了高压和中压工况，不同压力下涵盖了高、低流量或高、低热流密度工况。

表1　试验工况

2　程序与试验建模

2.1　LOCUST软件介绍

LOCUST是基于非平衡的两流体六方程模型开发的压水堆通用热工水力软件。目前，LOCUST主要用于“华龙一号”LOCA、SGTR和FLB等事故分析。本文采用的软件版本为1.2.0。为模拟临界后传热现象，软件引入了查询表或关系式等本构模型。对非再淹没工况，LOCUST默认采用Groeneveld查询表[6]计算CHF，采用Chen过渡沸腾传热模型[7]和Bromley膜态沸腾模型[8]的较大值模拟临界后传热。应当指出，根据Analytis分析，程序过渡沸腾模型系数C2取值采用24.0[9]。此外，相关的模型还包括Taitel-Dukler[10]和Ishii等流型模型[11]、Chexal-Lellouche等相间阻力模型[12]和基于流型和过热度的相间传热模型，这些模型详见软件理论模型手册[13]。

2.2　几何建模

分离效应试验模拟无需对整个试验台架进行建模，仅对所关注现象所在试验段进行建模即可。节点图如图2所示，LOCUST对THTF棒束通道采用管部件模拟，管道的进口边界条件由接管和时变控制体模拟，出口压力边界条件由时变控制体模拟。管部件热工水力直径设置为0.012 3 m，水流通横截面积设置为 6.181 2×10-3m2。试验段轴向上划分26个控制体，其中底部和顶部各1个未加热控制体，底部23个加热控制体高为0.15 m，顶部一个加热控制体高为0.208 m，总高度与试验保持一致。加热棒模拟为一个热构件，其节点划分与水力学构件一一对应，热构件形状为圆柱形，径向划为5个节点。热构件径向四个区域由近至远分别设置为硼氮化物、铬镍铁合金600加热原件、硼氮化物和316铁素体钢，对应的径向厚度分别为1.7 mm、0.5 mm、1.7 mm和0.85 mm。由于软件暂未考虑定位格架引起的传热变化，因此未对定位格架建模。

图2　棒束通道节点图

2.3　初始和边界条件

试验的初始和边界条件如表1所示。入口流体温度和压力通过时变控制体定义，入口流速通过时变接管定义。出口压力由出口时变控制体定义。功率通过对热构件施加内热源实现，释热率由表1中的热流密度换算而来。

3　结果

本文所选工况，根据压力和流量可分为高压高流量（3.07.9B）、高压低流量（3.07.9W）、低压高流量（3.07.9N）和低压低流量（3.07.9H）工况。试验中获取了壁面温度、流体温度、壁面换热系数、热平衡含气率等参数沿流动方向的结果，下文主要对各工况壁面温度和热平衡含气率参数结果进行分析。

3.1　工况3.07.9B结果

工况3.07.9B是高压高流量工况。图3给出了轴向壁温的预测值和试验值的比较。CHF发生在约1.5 m高度位置，试验预测位置为1.275～1.425 m，比试验位置略低1～2个控制体长度。在CHF下游区域，壁温预测值与试验值均出现了下降趋势，但预测值高于试验值80 K以上。上述偏差除受忽略与外壳间辐射及过早进入临界后传热模式影响外，还可能受post-CHF流型及相间模型的影响。LOCUST的post-CHF的流型分区沿用了pre-CHF的流型分区方法，因此流型存在一定的模型误差，会通过影响相间传热和摩擦而影响壁面温度的预测。由图4可知，热平衡含气率预测值略低于试验值，导致该现象的原因可能为低估液相相变或高估液相夹带。高估夹带一般会使软件低估壁面温度，而低估液相的相变会使带热能力降低，从而高估CHF下游区域的壁面温度。为确认软件的壁面传热、夹带等模型具体影响，需对比夹带和空泡等参数。

图3　轴向壁面温度结果对比-工况B

此外，由于暂软件不具备格架的传热模型，无法预测到格架下游壁温平均值的大幅下降。

图4　热平衡含气率结果对比-工况B

3.2　工况3.07.9W结果

工况3.07.9W是高压低流量工况，入口过冷度也较工况3.07.9B更高。图5给出了轴向壁温的预测值和试验值的比较。由于流量和热流密度都更低，发生CHF的位置也高于工况3.07.9B，在2.625～2.84 m高度之间。试验预测CHF位置为2.775～2.925 m，比试验位置略高约1个控制体长度。在CHF下游附近，壁温预测值低于试验值，且偏差随着距离CHF点距离增大而降低。出口附近壁温的预测值基本落在试验数据范围内。LOCUST在post-CHF区域高估换热系数的原因可能是高估壁面传热或夹带。由图6可知热平衡含气率与壁温的预测结果类似，即在CHF下游附近低于试验值，且随着距离CHF点距离增大逐渐趋于试验值。由含气率的低估可推测软件可能高估了夹带。

图5　轴向壁面温度结果对比-工况W

图6　热平衡含气率结果对比-工况W

3.3　工况3.07.9N结果

工况3.07.9N是低压高流量工况，入口过冷度比工况3.07.9B略低。图7给出了轴向壁温的预测值和试验值的比较。试验中发生CHF的位置也高于工况3.07.9B，在2.625～2.67 m高度。试验预测CHF位置为2.775～2.925 m，比试验位置略高1～2个控制体长度。在CHF下游，壁温预测值略低于试验值，预测值基本落在试验数据范围内。出口附近壁温的预测值基本落在试验数据范围内。由图8可知热平衡含气率在CHF下游附近低于试验值，且随着低估量随距离CHF点距离增大逐渐减小。

图7　轴向壁面温度结果对比-工况N

图8　热平衡含气率结果对比-工况N

3.4　工况3.07.9H结果

工况3.07.9H是低压低流量工况，入口过冷度也较工况3.07.9N更高。图9给出了轴向壁温的预测值和试验值的比较。由于流量和热流密度都更低，发生CHF的位置也略高于工况3.07.9N，在2.625～2.84 m高度。试验预测CHF位置为3.075～3.225 m，比试验位置略高约0.4 m。在CHF下游，壁温预测值低于试验值，且偏差随着距离CHF点距离增大而降低。LOCUST在post-CHF区域高估换热系数的原因可能是高估壁面传热或夹带。由图10可知热平衡含气率与壁温的预测结果类似，即在CHF下游低于试验值，且随着距离CHF点距离增大逐渐趋于试验值。由含气率的低估可推测软件可能高估了夹带。

图9　轴向壁面温度结果对比-工况H

图10　热平衡含气率结果对比-工况H

4　结论

对THTF稳态喷放试验不同压力和流量的4个工况进行了建模，通过分析壁温和热平衡含气率参数，评估了LOCUST软件临界后换热相关模型性能。通过评估可知：

（1） LOCUST对CHF预测效果较好，CHF位置预测的最大偏差约为0.4 m；

（2） LOCUST基本可复现THTF试验的post-CHF传热现象，但因忽略辐射传热、高估夹带等原因引起部分壁温预测偏差。

［1］ Lerchl, G. et al..ATHLET 3.2 Validation. GRS-P-1/ Vol.3 [R]. 2019．

［2］ Information Systems Laboratories，Inc.. RELAP5/MOD3.3 code manual volumeⅢ：developmental assessment problems: NUREG/CR-5535[R]. 2001．

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［5］ G.L.Yoder，et al.. Dispersed flow film boiling in rod-bundle geometry steady state heat transfer data and correlation comparisons [R]. NUREG/CR2435．1982．

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［11］ M. Ishii，G.De Jarlais. Inverted Annular Flow Modeling [C]. Advanced Code Review Group Meeting，Idaho Falls，ID，July 27，1982．

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［13］ CNPRI. LOCUST 1.2软件理论模型手册[R]. CNPRI- GN- F11-15SDC008-005，2021．

Validation of LOCUST 1.2 Against THTF Steady Heat Transfer Experiment

YUAN Hongsheng，XU Caihong，JU Zhongyun，WANG Ting，CAO Zhiwei

（China Nuclear Power Technology Research Institute Co.，Ltd，No.1001 Shangbu Middle Road，Futian District，Shenzhen of Guangdong Prov. 518026，China）

LOCUST is a thermo-hydraulic system analysis code developed by China General Nuclear Power Corporation (CGN). To support the application of LOCUST in analysis such as PWR LOCA accidents, the validation of LOCUST blowdown heat transfer performance against THTF steady experiments, which was conducted by the Oak Ridge National Laboratory, was carried out. The steady film boiling experiments simulated and reported are tests 3.07.9B, 3.07.9N, 3.07.9W, 3.07.9H, which cover the test conditions of high and low mass flux and high and low pressure condition. A short introduction of the experiments is given and then the LOCUST input model of the facility is described. Lastly, the calculation results were compared with data followed by a conclusion of the assessment. The overall reasonable prediction of the CHF position and the rod surface temperature shows that LOCUST can be used to simulate blowdown heat transfer of PWR. Small discrepancy of the wall temperature was observed that can be caused by over predicted entrainment or wall heat transfer, which can only be specified by further assessment with measured parameters such as entrainment.

CHF; Film boiling heat transfer; Post-CHF heat transfer; System code

TL33

A

0258-0918（2022）06-1377-06

2021-10-13

袁红胜（1989—），男，山东菏泽人，博士，现从事热工水力软件研发相关研究