流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算范文

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《核動(dòng)力工程雜志》2014年第三期

1數(shù)值計(jì)算

1.1堵塞工況的模擬方法一維系統(tǒng)分析程序均采用等效模擬的手段計(jì)算板狀燃料組件堵流事故，即先在流道入口處加入閥門控制體，然后通過改變閥門開度來(lái)模擬冷卻劑中異物堵塞流道的事故工況。但是將堵流簡(jiǎn)單等效成為流量減小顯然缺乏說(shuō)服力，過度簡(jiǎn)化了這一復(fù)雜問題。堵流事故大多是由固體異物隨冷卻劑循環(huán)流入堆芯而引發(fā)的，所以在考慮ANSYSFLUENT軟件自身特性的同時(shí)，本文采用在堵塞通道中加入一個(gè)薄面的方法來(lái)進(jìn)行直接模擬，即在正常工況的穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，將薄面的邊界條件定義為內(nèi)部面，而在開始堵流事故瞬態(tài)計(jì)算前，再將其屬性改為固壁，以模擬異物堵塞在流道入口的效果。相比于系統(tǒng)分析程序的做法，本文模擬方式的優(yōu)點(diǎn)：①不同于加入閥門控制體的間接模擬方式，這是一種直接模擬；②在建模、網(wǎng)格剖分和計(jì)算中操作簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)；③對(duì)不同堵塞程度（20%、40%堵塞等）和不同堵塞位置（如入口，中間堵塞等）的模擬，均可通過修改薄面面積和薄面所處位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有很大靈活性。

1.2湍流模型模擬計(jì)算采用ANSYSFLUENT軟件中應(yīng)用廣泛的Realizablek-ε兩方程模型。其中有關(guān)湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程為。

1.3邊界條件假設(shè)冷卻劑的總流量和堆芯總功率在堵流事故發(fā)生前后均保持不變，并且燃料板釋熱功率為沿冷卻劑流動(dòng)方向的截?cái)嘤嘞遥渚唧w形式為。

2數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1正常工況穩(wěn)態(tài)計(jì)算穩(wěn)態(tài)計(jì)算所得Y+值范圍是：16.26<Y+<176.52，其中Y+<30的網(wǎng)格都分布在燃料板下端部。這是因?yàn)榱鞯缽恼匦蔚较虑皇业耐粩U(kuò)變化，使得冷卻劑在燃料板端部處具有速度損失，因此在采用全局統(tǒng)一的網(wǎng)格剖分標(biāo)準(zhǔn)后，此處計(jì)算所得的Y+值較小。但這部分區(qū)域所占比重很少，而且通過燃料板端部傳導(dǎo)出的熱量又很小，因此其對(duì)于整個(gè)計(jì)算域的影響可以忽略。在上腔室部分和流道入口處Y+值則較大，其原因與此正相反。當(dāng)貼壁處應(yīng)用壁面函數(shù)計(jì)算時(shí)，最為理想的方式是根據(jù)壁面每個(gè)位置冷卻劑具體流動(dòng)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行獨(dú)立的網(wǎng)格剖分，如此便可保證所有貼壁網(wǎng)格的Y+值都在30左右，計(jì)算所得的流固耦合換熱量也將是最準(zhǔn)確的。與此同時(shí)也加大了網(wǎng)格剖分難度，并且在劃分結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格時(shí)有可能導(dǎo)致其他區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量下降，故需要在計(jì)算精度和速度之間進(jìn)行必要的權(quán)衡。本文計(jì)算所得的Y+值滿足ANSYSFLUENT12.1軟件的要求（表2），由此可認(rèn)為對(duì)冷卻劑和燃料板包殼流固耦合計(jì)算是合理的，在這個(gè)前提下，便可以開始堵塞事故瞬態(tài)計(jì)算。

2.2堵流事故瞬態(tài)計(jì)算當(dāng)堵流事故發(fā)生后，各流道冷卻劑流量迅速發(fā)生重新分配。堵塞發(fā)生流道（Channel-1）因入口面積減小導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加，所以其內(nèi)部冷卻劑流量大幅度減少、流速降低。相應(yīng)的，由于冷卻劑總流量不變，其他2個(gè)流道（Channel-2和Channel-3）內(nèi)的冷卻劑流量增大、流速增加，并且Channel-2在受到臨近流道堵塞的影響，其內(nèi)部冷卻劑流量和流速的增幅要稍小于Channel-3。冷卻劑流量再分配將導(dǎo)致燃料板包殼外表面熱流量的重新分配。正常工況下，熱量是從燃料板兩側(cè)包殼外表面向冷卻劑中均勻傳遞（各占約25%），燃料板端部傳出的熱流量則極少(約占總熱流量的0.08%)。堵流事故發(fā)生后，因Channel-1內(nèi)冷卻劑流量降低，使其與該側(cè)燃料板包殼外表面對(duì)流換熱強(qiáng)度減弱，故通過這一側(cè)面?zhèn)鬟f出的熱流量開始減小。相應(yīng)的，由于燃料板熱功率不變，從其另一側(cè)面?zhèn)鞒龅臒崃髁看蠓黾印６c堵塞流道不相鄰的燃料板兩側(cè)包殼外表面熱流量變化不大，可見堵流事故對(duì)熱流量重新分配的影響主要集中在緊鄰堵塞流道的燃料板上。冷卻劑流量和燃料板熱流量再分配使得整個(gè)計(jì)算域流場(chǎng)和溫度場(chǎng)發(fā)生了顯著變化（圖1和圖2）。堵流事故發(fā)生后，Channel-1出口冷卻劑平均溫度逐漸升高。受此影響，Channel-2出口冷卻劑平均溫度也有小幅度的升高，而距離堵塞流道較遠(yuǎn)的Channel-3由于內(nèi)部冷卻劑流量的增加，換熱能力提高，所以其出口冷卻劑平均溫度降低，并且在95%和100%2種堵塞工況下，所有通道內(nèi)的冷卻劑均沒有發(fā)生沸騰。計(jì)算域溫度場(chǎng)的另一個(gè)顯著變化是燃料板最高溫度點(diǎn)發(fā)生偏移。如圖2所示，正常工況計(jì)算域內(nèi)最高溫度點(diǎn)位于燃料板幾何中心處，但在堵流事故發(fā)生后，燃料板兩側(cè)包殼的不對(duì)稱冷卻導(dǎo)致其內(nèi)部最高溫度點(diǎn)的位置向堵塞流道一側(cè)偏移，但是這種不對(duì)稱的溫度分布僅僅存在于緊鄰堵塞流道的1號(hào)燃料板，而2號(hào)燃料板的溫度分布依然是中心對(duì)稱的。

類似于系統(tǒng)分析程序的計(jì)算結(jié)果[2]，圖1和圖2所反映的只是堵流事故前后計(jì)算域內(nèi)溫度場(chǎng)宏觀變化情況。將其與正常工況、95%部分堵流事故工況和全部堵流事故工況對(duì)比后可知，正常工況下的溫度場(chǎng)是以燃料板為中心對(duì)稱分布的，并且因熱功率沿Z軸方向的余弦分布，冷卻劑溫度是逐漸升高的；而在堵流事故工況下，堵塞通道一側(cè)的溫度場(chǎng)在沿Z軸方向上隨冷卻劑流動(dòng)狀態(tài)的不同而不斷變化。堵塞流道（Channel-1）內(nèi)部冷卻劑溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的具體細(xì)節(jié)顯示，在正常工況下，流道內(nèi)冷卻劑沿流動(dòng)方向被逐漸加熱，溫度逐漸升高。在入口發(fā)生95%部分堵流事故后，流道截面減小使得冷卻劑呈噴射狀流入其中，并形成上、下游兩個(gè)漩渦區(qū)。漩渦區(qū)內(nèi)部高溫流體的熱量只能通過射流部分的流體帶出，因此在其中心處溫度升高。由于熱功率沿流道方向呈余弦分布，體始終處于被加熱狀態(tài)，所以下游漩渦區(qū)中心處的流體溫度要更高些。同時(shí)，在流道出口處存在明顯的冷卻劑回流效應(yīng)，這也說(shuō)明了本文在建模過程中加入下腔室的必要性和正確性。

在全部堵流事故中，雖然沒有上述現(xiàn)象，但是由于流道出口處的回流效應(yīng)，也同樣使得堵塞通道內(nèi)部生成了上、下游2個(gè)漩渦區(qū)域；由于這種攪渾方式較弱，使得熱量不能及時(shí)傳遞到流道外部，所以其內(nèi)部冷卻劑最高溫度要比95%堵塞時(shí)更高。作為包容放射性物質(zhì)的第一道屏障，燃料板包殼上的高溫區(qū)域?qū)⑹嵌铝魇鹿薀峁し治龅闹匾獏?shù)之一。表4給出了兩類堵流事故下不同區(qū)域內(nèi)的最高溫度值。堵流事故發(fā)生后，channel-1流道的堵塞導(dǎo)致該側(cè)燃料板包殼外表面溫度逐漸升高。在95%部分堵塞工況下，該面上的最高溫度區(qū)域形狀為窄長(zhǎng)條形；而全部堵流事故中高溫區(qū)域的形狀為近似占流道2/3寬度的長(zhǎng)矩形，由此可知，全部堵流事故時(shí)在該燃料板包殼上形成的危險(xiǎn)區(qū)域更大。在單一流道薄面堵塞方式下，這個(gè)最高溫度值均在燃料板包殼所能承受的安全范圍內(nèi)。通過以上分析可知，堵塞流道內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜，存在多個(gè)流動(dòng)漩渦區(qū)域。由于無(wú)法對(duì)這些流場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬，使得系統(tǒng)分析程序?qū)Χ氯鹿实挠?jì)算不夠準(zhǔn)確、偏于保守，就此而言，利用CFD手段研究堵流事故具有較大的優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)論與展望

在證明本文所采用的網(wǎng)格剖分方式的合理性基礎(chǔ)上，通過正常工況和2種入口堵流事故工況的計(jì)算，得到以下結(jié)論：（1）流固耦合界面處網(wǎng)格剖分和湍流模型中壁面函數(shù)的選取是否合理，都需要通過壁面處Y+值進(jìn)行判斷，并且需要在邊界層加密網(wǎng)格和總計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度上進(jìn)行必要的權(quán)衡。（2）在堵流事故發(fā)生后，各通道冷卻劑流量將重新分配，并引發(fā)燃料板包殼外表面釋熱的重新分配，使得計(jì)算域內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)發(fā)生劇烈變化。但以本文所假設(shè)的面堵塞方式，無(wú)論95%堵流事故還是全部堵流事故均沒有發(fā)生冷卻劑沸騰的現(xiàn)象。(3)堵塞流道內(nèi)部存在上、下游漩渦區(qū)，并在緊鄰堵塞流道的燃料板包殼上形成了不同形狀的高溫區(qū)域，由于無(wú)法對(duì)這些流場(chǎng)和溫度場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬，使得系統(tǒng)分析程序?qū)Χ氯鹿实挠?jì)算不夠準(zhǔn)確、偏于保守，就此而言，利用CFD手段研究堵流事故具有較大的優(yōu)勢(shì)。

作者：宋磊郭赟曾和義單位：核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室哈爾濱工程大學(xué)