流场和温度场的瞬态数值计算范文

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《核动力工程杂志》2014年第三期

1数值计算

1.1堵塞工况的模拟方法一维系统分析程序均采用等效模拟的手段计算板状燃料组件堵流事故，即先在流道入口处加入阀门控制体，然后通过改变阀门开度来模拟冷却剂中异物堵塞流道的事故工况。但是将堵流简单等效成为流量减小显然缺乏说服力，过度简化了这一复杂问题。堵流事故大多是由固体异物随冷却剂循环流入堆芯而引发的，所以在考虑ANSYSFLUENT软件自身特性的同时，本文采用在堵塞通道中加入一个薄面的方法来进行直接模拟，即在正常工况的稳态计算时，将薄面的边界条件定义为内部面，而在开始堵流事故瞬态计算前，再将其属性改为固壁，以模拟异物堵塞在流道入口的效果。相比于系统分析程序的做法，本文模拟方式的优点：①不同于加入阀门控制体的间接模拟方式，这是一种直接模拟；②在建模、网格剖分和计算中操作简单、容易实现；③对不同堵塞程度（20%、40%堵塞等）和不同堵塞位置（如入口，中间堵塞等）的模拟，均可通过修改薄面面积和薄面所处位置来实现，具有很大灵活性。

1.2湍流模型模拟计算采用ANSYSFLUENT软件中应用广泛的Realizablek-ε两方程模型。其中有关湍动能k和湍动能耗散率ε的输运方程为。

1.3边界条件假设冷却剂的总流量和堆芯总功率在堵流事故发生前后均保持不变，并且燃料板释热功率为沿冷却剂流动方向的截断余弦，其具体形式为。

2数值计算结果分析

2.1正常工况稳态计算稳态计算所得Y+值范围是：16.26<Y+<176.52，其中Y+<30的网格都分布在燃料板下端部。这是因为流道从窄矩形到下腔室的突扩变化，使得冷却剂在燃料板端部处具有速度损失，因此在采用全局统一的网格剖分标准后，此处计算所得的Y+值较小。但这部分区域所占比重很少，而且通过燃料板端部传导出的热量又很小，因此其对于整个计算域的影响可以忽略。在上腔室部分和流道入口处Y+值则较大，其原因与此正相反。当贴壁处应用壁面函数计算时，最为理想的方式是根据壁面每个位置冷却剂具体流动状态来进行独立的网格剖分，如此便可保证所有贴壁网格的Y+值都在30左右，计算所得的流固耦合换热量也将是最准确的。与此同时也加大了网格剖分难度，并且在划分结构体网格时有可能导致其他区域网格质量下降，故需要在计算精度和速度之间进行必要的权衡。本文计算所得的Y+值满足ANSYSFLUENT12.1软件的要求（表2），由此可认为对冷却剂和燃料板包壳流固耦合计算是合理的，在这个前提下，便可以开始堵塞事故瞬态计算。

2.2堵流事故瞬态计算当堵流事故发生后，各流道冷却剂流量迅速发生重新分配。堵塞发生流道（Channel-1）因入口面积减小导致流动阻力增加，所以其内部冷却剂流量大幅度减少、流速降低。相应的，由于冷却剂总流量不变，其他2个流道（Channel-2和Channel-3）内的冷却剂流量增大、流速增加，并且Channel-2在受到临近流道堵塞的影响，其内部冷却剂流量和流速的增幅要稍小于Channel-3。冷却剂流量再分配将导致燃料板包壳外表面热流量的重新分配。正常工况下，热量是从燃料板两侧包壳外表面向冷却剂中均匀传递（各占约25%），燃料板端部传出的热流量则极少(约占总热流量的0.08%)。堵流事故发生后，因Channel-1内冷却剂流量降低，使其与该侧燃料板包壳外表面对流换热强度减弱，故通过这一侧面传递出的热流量开始减小。相应的，由于燃料板热功率不变，从其另一侧面传出的热流量大幅增加。而与堵塞流道不相邻的燃料板两侧包壳外表面热流量变化不大，可见堵流事故对热流量重新分配的影响主要集中在紧邻堵塞流道的燃料板上。冷却剂流量和燃料板热流量再分配使得整个计算域流场和温度场发生了显著变化（图1和图2）。堵流事故发生后，Channel-1出口冷却剂平均温度逐渐升高。受此影响，Channel-2出口冷却剂平均温度也有小幅度的升高，而距离堵塞流道较远的Channel-3由于内部冷却剂流量的增加，换热能力提高，所以其出口冷却剂平均温度降低，并且在95%和100%2种堵塞工况下，所有通道内的冷却剂均没有发生沸腾。计算域温度场的另一个显著变化是燃料板最高温度点发生偏移。如图2所示，正常工况计算域内最高温度点位于燃料板几何中心处，但在堵流事故发生后，燃料板两侧包壳的不对称冷却导致其内部最高温度点的位置向堵塞流道一侧偏移，但是这种不对称的温度分布仅仅存在于紧邻堵塞流道的1号燃料板，而2号燃料板的温度分布依然是中心对称的。

类似于系统分析程序的计算结果[2]，图1和图2所反映的只是堵流事故前后计算域内温度场宏观变化情况。将其与正常工况、95%部分堵流事故工况和全部堵流事故工况对比后可知，正常工况下的温度场是以燃料板为中心对称分布的，并且因热功率沿Z轴方向的余弦分布，冷却剂温度是逐渐升高的；而在堵流事故工况下，堵塞通道一侧的温度场在沿Z轴方向上随冷却剂流动状态的不同而不断变化。堵塞流道（Channel-1）内部冷却剂温度场和流场的具体细节显示，在正常工况下，流道内冷却剂沿流动方向被逐渐加热，温度逐渐升高。在入口发生95%部分堵流事故后，流道截面减小使得冷却剂呈喷射状流入其中，并形成上、下游两个漩涡区。漩涡区内部高温流体的热量只能通过射流部分的流体带出，因此在其中心处温度升高。由于热功率沿流道方向呈余弦分布，体始终处于被加热状态，所以下游漩涡区中心处的流体温度要更高些。同时，在流道出口处存在明显的冷却剂回流效应，这也说明了本文在建模过程中加入下腔室的必要性和正确性。

在全部堵流事故中，虽然没有上述现象，但是由于流道出口处的回流效应，也同样使得堵塞通道内部生成了上、下游2个漩涡区域；由于这种搅浑方式较弱，使得热量不能及时传递到流道外部，所以其内部冷却剂最高温度要比95%堵塞时更高。作为包容放射性物质的第一道屏障，燃料板包壳上的高温区域将是堵流事故热工分析的重要参数之一。表4给出了两类堵流事故下不同区域内的最高温度值。堵流事故发生后，channel-1流道的堵塞导致该侧燃料板包壳外表面温度逐渐升高。在95%部分堵塞工况下，该面上的最高温度区域形状为窄长条形；而全部堵流事故中高温区域的形状为近似占流道2/3宽度的长矩形，由此可知，全部堵流事故时在该燃料板包壳上形成的危险区域更大。在单一流道薄面堵塞方式下，这个最高温度值均在燃料板包壳所能承受的安全范围内。通过以上分析可知，堵塞流道内流场复杂，存在多个流动漩涡区域。由于无法对这些流场细节进行模拟，使得系统分析程序对堵塞事故的计算不够准确、偏于保守，就此而言，利用CFD手段研究堵流事故具有较大的优势。

3结论与展望

在证明本文所采用的网格剖分方式的合理性基础上，通过正常工况和2种入口堵流事故工况的计算，得到以下结论：（1）流固耦合界面处网格剖分和湍流模型中壁面函数的选取是否合理，都需要通过壁面处Y+值进行判断，并且需要在边界层加密网格和总计算时间及计算精度上进行必要的权衡。（2）在堵流事故发生后，各通道冷却剂流量将重新分配，并引发燃料板包壳外表面释热的重新分配，使得计算域内的温度场和流场发生剧烈变化。但以本文所假设的面堵塞方式，无论95%堵流事故还是全部堵流事故均没有发生冷却剂沸腾的现象。(3)堵塞流道内部存在上、下游漩涡区，并在紧邻堵塞流道的燃料板包壳上形成了不同形状的高温区域，由于无法对这些流场和温度场细节进行模拟，使得系统分析程序对堵塞事故的计算不够准确、偏于保守，就此而言，利用CFD手段研究堵流事故具有较大的优势。

作者：宋磊郭赟曾和义单位：核安全与仿真技术国防重点学科实验室哈尔滨工程大学