積鼎核工業(yè)多相流仿真：堵流工況下棒束子通道流場實驗與模擬

核電作為一種高效的清潔能源受到了能源行業(yè)的青睞，并逐漸成為一種重要的能源生產(chǎn)方式。壓力容器中的堆芯是熱能產(chǎn)生的部位，也是反應堆的關鍵部件之一，其熱工水力特性直接關系到燃料元件的冷卻效率及安全問題，因此重點研究方向之一。在極端情況下，燃料組件子通道可能因為棒束腫脹、異物堆積等發(fā)生通道堵流現(xiàn)象，發(fā)生傳熱惡化，甚至超溫、堆芯融化等危險工況，因此有必要開展相關研究。采用實驗與數(shù)值模擬手段測量、模擬堵流情況下的子通道流場分布、獲取子通道流量分布特性可以充分發(fā)揮實驗與模擬優(yōu)勢。本文利用激光粒子測速方法測量了5×5棒束堵塞情況下子通道的流場分布特性以及子通道流量分布特性，并基于國內(nèi)首款核工業(yè)多質多相流體動力學計算分析軟件“麒麟”軟件和商用CFD軟件進行了堵流現(xiàn)象的數(shù)值模擬，結合實驗結果分析棒束子通道堵流特性。

1 實驗裝置簡介
本次研究首先采用可視化試驗方法對堵流情況下5×5棒束組件子通道流場進行了測量，實驗回路如圖1所示，主要包括實驗本體、水箱、主泵、流量計、閥門和測控儀表等。

圖1 棒束組件內(nèi)流場分布試驗回路流程圖

圖2a所示為實驗本體結構示意圖，本體主體為四面可視的矩形通道結構，進出口有穩(wěn)流裝置，內(nèi)部放置5×5棒束組件。組件由支撐段和測量段組成，支撐段為硬質材料，測量段為薄壁FEP管，以最大程度接近水的折射率。堵流件安裝在FEP管外，堵流區(qū)域如圖2c所示為3×3棒束區(qū)域，中間通道堵流比例最大，5×5棒束截面的總堵流比例為72%。堵流件安裝位置距入口大于40D，距出口距離也在20D以上，以最大程度減弱入口和出口效應。測量區(qū)域約為20D。

圖2 實驗本體及棒束組件結構示意圖

如圖2c所示，棒束組件由5×5棒組成，測量段為外徑9.5mm，中心距為12.6mm的FEP管。PIV面激光以XZ平面照射測量區(qū)域，高速相機則沿Y方向拍攝。采用跨幀模式進行圖像采集，然后使用專業(yè)軟件進行速度場計算，即獲得了測量區(qū)域的流場分布。相機拍攝幀率為15Hz,每次針對同一工況拍攝200組以上照片，然后求取平均流場。

2 數(shù)值模擬方法
數(shù)值模擬基于核工業(yè)多質多相流體動力學計算分析軟件“麒麟”進行，該軟件采用浸入界面方法進行網(wǎng)格劃分，基于NS方程求解流場、溫度場、壓力場等流體力學問題。該軟件支持常見CAD軟件三維幾何模型的導入然后進行IST方法的笛卡爾網(wǎng)格劃分，之后進行邊界條件設置、模型設置、求解設置等，最后進行迭代求解和后處理。該流場計算軟件可以基于Windows和Linux系統(tǒng)進行，二者求解方式?jīng)]有任何區(qū)別，本次求解基于Windows系統(tǒng)進行。
圖3所示為本次模擬的三維幾何和網(wǎng)格劃分示意圖。圖3a所示為浸入界面法的基本原理，即在網(wǎng)格劃分時不區(qū)分流體與固體域，使用流固界面符號距離函數(shù)Φs來數(shù)值地區(qū)分流體與固體域，在求解NS方程時，通過引入Heaviside函數(shù)

自動地區(qū)別流體與固體域。該函數(shù)在流體內(nèi)等于1，在固體內(nèi)等于0，在界面上等于0.5。帶堵流件的棒束幾何由三維CAD軟件根據(jù)實驗裝置尺寸測量結果建立，然后導入“麒麟”軟件中進行網(wǎng)格劃分，圖3b固體域即是繪制的棒束三維幾何。劃分網(wǎng)格時直接根據(jù)試驗裝置矩形流道大小繪制矩形流體域，即圖3c中背景網(wǎng)格，這樣三維幾何就“浸沒”在背景網(wǎng)格中（流體域）。之后基于重疊網(wǎng)格技術在堵流件區(qū)域添加加密的子網(wǎng)格對堵流塊進行加密，以提高堵流件區(qū)域流場解析精度。本次模擬主要針對堵流件上下游總計約9D的范圍，為了避免入口效應，也繪制了堵流件上游10D的網(wǎng)格。網(wǎng)格無關性分析表明使用總量約50萬的網(wǎng)格可以實現(xiàn)網(wǎng)格無關。

圖3 采用浸入界面法時網(wǎng)格劃分示意圖

本次模擬針對實驗工況，因此所涉及的模型為冷態(tài)流動，模擬為穩(wěn)態(tài)模擬，主要求解X、Y、Z三個方向的速度以及壓力。模擬邊界條件為流量入口，流量、壓力、溫度根據(jù)實驗測量結果設置，模擬中迭代計算到殘差小于1e-5或者不再減小為止。

3 結果及分析
3.1 流場測量結果
本次實驗中維持進口流量穩(wěn)定在約14t/h，對應的水平截面平均質量流速約1566 kg/m2/s。實驗中測量了堵流件上下游約7D范圍內(nèi)棒束中心豎直截面、子通道豎直中心截面的流場。測量得到的典型豎直截面流場圖如所示，圖中示出了C1和C2通道在不安裝和安裝堵流件時的上下游流場測量結果。在沒有堵流件的正常狀態(tài)下，堵流件所在位置上下游流場基本都以本子通道的豎直流動為主，流場未發(fā)生偏斜，不同子通道流速分布相似。在堵流情況下，C1和C2都出現(xiàn)了流場偏斜和流速不均的情況。對照圖1可知C1子通道豎直截面僅有一半流場被堵流件遮擋，因此可見其流場所受影響較小，僅堵塊下游少量流場受影響。對于C2，被堵塞的通道區(qū)域較寬，因此可以發(fā)現(xiàn)橫向位置1和2所在區(qū)域堵流件下游出現(xiàn)了流速很低的區(qū)域，未堵塞子通道流速則出現(xiàn)明顯增大，表明堵塞對流場影響很大。

圖4 不同狀態(tài)下堵流件上下游豎直截面流場典型結果

為了直觀地分析堵流對子通道流速的影響，這里使用速度不均勻指數(shù)來量化。該指數(shù)計算為求某豎直截面高度Z處絕對速度值與截面平均速度的均方根。圖5所示為根據(jù)實驗測量結果得到的通道C1、C2、C3、C4在不同高度處的速度不均勻指數(shù)，其中曲線所在位置為堵流件，軸向位置0為堵流件軸向中心位置?？梢园l(fā)現(xiàn)通道C1和C4的速度不均勻指數(shù)變化較小，僅在虛線所示堵流件區(qū)域出現(xiàn)了較小的增加，并很快恢復正常，表明其受堵流件的影響較小，冷卻劑可以正常流動。而通道C2和C3速度不均勻指數(shù)在堵流件處出現(xiàn)了較大的增加，而后緩慢減??；并且速度不均勻指數(shù)在堵流件上游1D處已經(jīng)開始增加，表明其對流場的影響在上游1D處已經(jīng)開始。雖然在堵流件下游約3D以后速度不均勻指數(shù)下降較緩，但仍未恢復到堵流前水平。上述結果表明堵流件對流速產(chǎn)生了較大影響，實驗結果表明在堵流通道，在截面平均質量流速約1500kg/m2/s下，堵流通道下游2D距離處內(nèi)堵塞子通道平均流速僅為截面平均流速的60%；5D距離處恢復到截面平均流速約85%。

圖5 速度不均勻指數(shù)隨Z變化曲線

3.2 模擬結果及分析
使用前述數(shù)值模擬方法進行數(shù)值迭代求解可以得到5×5棒在堵流情況下的模擬結果，本次研究也使用商業(yè)CFD軟件進行了模擬，二者網(wǎng)格總數(shù)、湍流模型、邊界條件等相同，以對比數(shù)值分析軟件與商業(yè)CFD軟件。圖6所示為C1、C2豎直截面的流場圖，圖中灰色框部分為堵流件所在位置。對于C1，子通道堵塞比例為10%~20%，小于C2通道的20~40%，因此流場受到的影響較小。C2通道在堵流件區(qū)域因子通道堵塞出現(xiàn)了明顯的流速降低，在堵流件下游形成了低速區(qū)，這與試驗測量結果吻合。比較“麒麟”軟件和商用CFD軟件結果，可以發(fā)現(xiàn)二者流場分布十分接近。

圖6 模擬所得堵流情況下豎直截面流場典型結果

為了更加直觀地對比“麒麟”軟件和商用CFD軟件差別，提取了堵流件下游不同距離處試驗與模擬結果繪制成圖7所示曲線圖。圖中分別對比了堵流件下游0.5D和2D距離處實驗與模擬結果，可以看出在兩種距離處實驗與模擬值的匹配性很好，同時也可以看出“麒麟”軟件的模擬結果與商用CFD軟件的結果十分接近，表明其流場模擬能力與商用CFD軟件接近。

圖8計算了模擬結果與實驗結果的均方根誤差，圖中橫坐標表示下游計算位置與堵流件位置的距離?？梢钥闯?，在堵流件2D范圍內(nèi)模擬值與實驗值的均方根誤差比更遠距離的明顯大，表明模擬與試驗偏差比其他區(qū)域大，這可能是采用RANS湍流模型的導致堵流件緊鄰流場的強湍流區(qū)域解析能力不足導致的。整體而言，“麒麟”軟件的均方根誤與商業(yè)CFD軟件在走勢和值上十分接近。

圖8 模擬均方根誤差對比圖

4結論

本文基于棒束子通道流場可視化實驗裝置和5×5棒束子通道堵流實驗本體獲得了子通道堵流72%比例下的上下游流場分布，并使用“麒麟”軟件對堵流情況下的子通道流場進行了數(shù)值模擬分析。本文獲得的主要結論為：子通道堵流約72%情況下，堵塞子通道上游約1D范圍流場開始受到明顯影響；堵流通道下游2D距離處內(nèi)堵塞子通道平均流速僅為截面平均流速的60%；5D距離處恢復到截面平均流速約85%?；诮虢缑娣椒ǖ摹镑梓搿避浖軌驅Χ铝髑闆r下的棒束子通道流場進行合理模擬，其模擬結果與商用CFD軟件相當。

“麒麟KILI”是中國核動力研究設計院研發(fā)的國內(nèi)首款核工業(yè)多質多相流體動力學計算分析軟件，該軟件填補了國內(nèi)核工業(yè)自主研發(fā)計算流體動力學軟件的空白，實現(xiàn)了關鍵軟件技術的自主可控。上海積鼎信息科技有限公司為麒麟KILI軟件開發(fā)唯一合作單位。

審核編輯 黃宇