第38卷第2期原子能科学技术Vol.38,No.2 2004年3月Atomic Energy Science and TechnologyMar.2004中国实验快堆额定工况下冷热钠池数值分析许义军,陆道纲,杨红义,杨福昌(中国原子能科学研究院快堆工程部,北京 102413)摘要:应用计算软件STAR 2CD 对中国实验快堆(CEFR )正常运行工况中的额定工况进行了三维数值分析,使用多孔介质模型对屏蔽柱的影响进行了模拟,给出了冷热钠池的三维温度场和流场,与已有热工设计进行了比较,并着重分析了浮升力在数值模拟计算中的影响,为事故工况下的设备动态分析及相应的设备力学分析提供了数据。
研究结果为CEFR 的优化设计及事故分析提供了参考数据和技术支持。
关键词:三维数值模拟;冷热钠池;工况分析中图分类号:TL331 文献标识码:A 文章编号:100026931(2004)022*******Numerical Analysis of China Experimental F ast R eactorCold and H ot Plenums U nder Normal ConditionXU Y i 2jun ,L U Dao 2gang ,YAN G Hong 2yi ,YAN G Fu 2chang(China Institute of A tomic Energy ,P.O.Box 275295,Beijing 102413,China )Abstract :The CFD software STAR 2CD is used to simulate the normal operating conditions of cold and hot plenums in China Experimental Fast Reator (CEFR ).Complex 32dimension model is established by using porous medium method.The temperature and velocity distribu 2tions of cold and hot plenums are given.These results are compared with the data of the thermal designs of CEFR which have been completed.Meanwhile ,the influence of the buoy 2ancy forces is analyzed.The results of the calculation are valuable for the CEFR design and accident analysis.K ey w ords :32dimension numerical analysis ;cold and hot plenums ;regime analysis收稿日期:2003205219;修回日期:2003209222作者简介:许义军(1973—),男,河北井陉人,工程师,硕士,核能科学与工程专业 中国实验快堆(CEFR )的额定工况是指反应堆处于100%功率下的运行状态,是CEFR 正常运行工况中一个重要工况。
额定工况下反应堆运行状态研究是对反应堆事故工况研究的基础,同时又对反应堆安全分析、堆容器及其堆内构件的力学应力分析与评价具有重要意义。
本文利用计算流体力学(CFD )软件STAR 2CD对CEFR 的堆本体进行三维建模分析。
1 计算程序STAR 2CDSTAR 2CD 是专门用于分析涉及流动和质量传递以及热交换问题的商业化CFD 应用程序系统,该软件具有很强的网格构造能力、强大而丰富的数学物理模型求解器、异常轻巧和集中的程序结构,使它在许多工程问题中得到广泛应用。
STAR(simulation of turbulent flow in arbitrary regions)有很多湍流模型可以选用,如零方程模型、k2ε系列模型、K2L模型及L ES模型,以适应不同的工程需要。
目前版本主要采用SIMPL E算法,非结构化网格。
2 冷热钠池建模分析CEFR冷热钠池均位于主容器内,主要根据其空间内介质钠的温度不同而命名。
冷热钠池是介质钠在加热前和经过堆芯加热后的主要载体,与中间热交换器、一回路泵、堆芯一起构成CEFR一回路主热传输系统。
211 计算建模冷热钠池是一非常复杂的热力学系统,结构上完全模拟相当困难,对许多重要的堆内设备,如中间热交换器、事故热交换器及其主泵等的模拟,必须结合工程实际和软件功能进行简化分析。
另外,堆内还有数量众多的屏蔽柱和很薄的堆内支承隔板,由于其结构与堆的整体尺寸相差很大,这也将带来网格构造上的困难,需在建模中给予特别考虑。
212 模型及其简化在尽可能考虑反应堆真实模拟前提下,对模型做了如下简化:1)由于所研究区域的对称性,计算中选取180°作为计算区域;2)热钠池内的3层水平热屏蔽内的钠流动极为缓慢,隔板又非常薄,仔细刻画板的形状需耗费相当多的网格,所以,采用加权方法等效模拟成固体;3)热钠池中的约150根屏蔽柱中,正对一回路钠循环泵的柱子排列紧密,可认为钠在其中无流动,这些柱子按固体等效处理,剩余柱子采用多孔介质模型进行模拟;4)对一次钠净化系统,只考虑其传热影响。
213 多孔介质模型及其适用性验证因热钠池中的屏蔽柱尺寸小、数量多,实际模拟需大量时间和网格,计算的经济性差,所以,有必要使用多孔介质模型进行合理简化。
该模型考虑大量的固体构件对流动和传热产生的影响,假设固体构件均匀分布于控制体内,用分布阻力和分布热源分别表征固体构件对动量交换和能量交换的影响。
其压降和速度的关系为:-K i u i=9p9ξi。
其中,K i为多孔介质的穿透率,K i=αi|u|+βi,αi、βi(i=1,2,3)分别为3个相互正交方向的系数,每个方向的α和β值可相同,也可不同;u为多孔区域的表面速度; 9p/9ξi为压降。
模型计算就是求得各个方向上的穿透率值。
为得到在实际钠池模拟中屏蔽柱各方向的穿透率值,构造1个模拟屏蔽柱真实流动的小模型和相应的多孔介质小模型(图1)。
通过赋予真实流动的小模型以不同速度值,得到相应的穿透率,再通过线性关系式得到系数α、β值;然后,将α、β值带入到相应的多孔介质小模型,通过设置相同的整体几何结构、物性、边界条件、压降取点位置进行计算,最后将得到的压降和穿透率值进行比较,以确认α、β值是否正确。
二者的比较结果列于表1。
由于z向压降极小,程序中的系数设为无穷大。
从表1可看出:二者之间符合较好,可满足工程计算需要,并将其应用到实际的钠池模拟中。
表1 屏蔽柱实际流动模拟和多孔介质流动模拟数据比较T able1 Comparison of flow d ata betw een real simulation and porous medium simulation方向屏蔽柱实际流动多孔介质流动u/(m・s-1)Δp/Pa K/(kg・m-3・s-1)αβΔp/Pa K/(kg・m-3・s-1)相对偏差1)/%R向011171591150662041313518185112217-2137θ向012691172202662041313570182205315-6174 注:1)相对偏差=(多孔介质流动模拟值-屏蔽柱实际流动模拟值)/屏蔽柱实际流动模拟值611原子能科学技术 第38卷图1 屏蔽柱实际流动模拟(a)和多孔介质流动模拟(b)网格图Fig.1 Grids of real flow simulation in radialshielding(a)and porous flow simulation(b)214 网格生成计算中,网格的生成约占计算工作量的60%,所以,网格的数量、质量及类型的选取均很重要。
网格生成考虑了诸如网格的光顺性、正交性、结点分布特性等重要原则,采用整体拉伸法,使用单独的六面体网格、局部加密和网格耦合技术,较为详细地刻画出-6140、-91445m高度的隔板和R=2130m的隔板。
冷热钠池计算的复杂程度不同,在描述冷池时,使用网格较少,而在堆芯出口区域则使用网格较多。
共计33754个网格,其中,流体网格19730个。
计算中使用的网格示于图2。
215 计算方法计算中的压力修正方法为PISO算法,该算法是SIMPL E法的改进方法,收敛速度快,但每步计算时间较长。
采用该算法的主要目的是为提高收敛速度,并为后续的瞬态计算做准备。
本计算采用标准的k2ε模型,其经验系数为:Cμ=0109,Cε1=1144,Cε2=1192,Cε3= 1144,Cε4=-0133,Pr k=1,Prε=11219。
图2 冷热钠池网格划分Fig.2 Grids of cold and hot plenums216 计算边界条件根据计算区域不同,使用以下边界条件:1)热钠池入口温度和流量边界条件按燃料区分为3区(表2),出口为中间热交换器入口(压力边界条件);2)冷钠池入口为中间热交换器的出口,单个流量为77136kg/s,温度为354.3℃,出口为一回路钠循环泵的入口(压力边界条件);3)钠液面的散热热流密度为1kW/m2;4)1台钠循环泵支撑冷却系统带走热量536kW,1台事故热交换器带走热量5215kW,一次钠净化系统引出管带走热量1217kW,堆容器冷却系统带走热量1782kW;5)在-81225m以下,堆芯围桶内侧温度按360℃等温分布;在-81225m到组件上端-6185m处,温度从360到440℃线性增加。
表2 堆芯燃料分区的流量和温度T able2 Flux and temperature of CEFR core sub area 分区号描述流量/(kg・s-1)温度/℃1第一和第二流量区1231035461042第三和第四流量区1441055421123除燃料区以外的其它区331574191373 计算结果及其分析311 热钠池热钠池的范围主要包括在-91445m以上、半径在21430m以内的部分,同时也包括-614m以上半径在31800m以内的部分。
图3为3个流量分区内的流速分布。
从流动分布看,最大流速在堆芯出口处,为11243711第2期 许义军等:中国实验快堆额定工况下冷热钠池数值分析m/s 。
从堆芯第一、第二分区流出的钠流体,首先受到中心测量柱的阻挡,然后,沿着中心测量柱向上流动,一直到达液面,接着,通过屏蔽柱和屏蔽支撑筒的入口窗,最终流向中间热交换器的入口处。