CEFR堆顶固定屏蔽冷却系统流动特性数值研究

马 晓，张东辉

(中国原子能科学研究院 快堆研究设计所，北京 102413)



CEFR堆顶固定屏蔽冷却系统流动特性数值研究

马 晓，张东辉

(中国原子能科学研究院 快堆研究设计所，北京 102413)

堆顶固定屏蔽在中国实验快堆(CEFR)中承担着重要功能，对其进行充分冷却极其重要。本文采用CFD方法对该设备的冷却系统进行了三维数值研究，详细分析了该冷却系统的流动特性和水力学设计，并对设计中的不足提出了优化建议。研究表明，该冷却系统基本可满足要求，但部分环节需要优化。将调节阀尽量均匀布置可改善水平风道流场分布；入口处设置两道通风孔可提高竖直风道内空气流动的均匀性；调节阀开度应适当增加以进一步满足流量分配需求。该研究可为CEFR运行安全和类似冷却系统的设计提供参考。

中国实验快堆；堆顶固定屏蔽；流动特性；数值研究

中国实验快堆(CEFR)堆顶固定屏蔽位于反应堆堆坑顶部，承担着屏蔽中子、γ辐射和热辐射的重要功能，并且作为支承平台为相关设备提供支承。反应堆功率运行时，堆顶固定屏蔽处在一高温工作环境中，承受反应堆容器和各种贯穿件的散热。为保证该设备具有足够的结构强度，以满足各种预期功能，其冷却系统必须满足热工要求。堆顶固定屏蔽冷却系统风道狭窄、结构复杂，难以通过理论计算和实验测量掌握内部各位置详细流动情况。为了详细研究冷却系统内部的具体流动和流量分配，全面考察堆顶固定屏蔽冷却系统的设计能否满足要求，本文采用计算流体力学(CFD)方法对该冷却系统的流动特性进行计算分析。

1 堆顶固定屏蔽及其冷却系统简介

CEFR堆顶固定屏蔽位于反应堆堆坑顶部，由汇流箱、屏蔽箱体、屏蔽块、环形支承裙板和密封组件组成(图1)，主要功能是屏蔽中子和γ辐射、屏蔽热辐射以及作为工作平台[1]。

a——进风管；b——汇流箱；c——空气调节阀；d——第2层水平风道；e——第3层水平风道；f——支承裙板；g——竖直风道；h——屏蔽箱体1～8分别为第2层水平风道8个区块的编号

堆顶固定屏蔽是一大尺寸的箱式金属结构件，最大直径为10 480 mm，总高度为2 200 mm，其中汇流箱高度为150 mm，箱体厚度为1 255 mm，下环形裙板高度为795 mm。

堆顶固定屏蔽由多层材料组成，主要由钢板搭建设备的主体结构，纵向有8层钢板、4层混凝土、1层矿渣棉和3层供冷却空气流动的水平风道，其中水平风道高度与其径向尺寸相比非常狭窄。在屏蔽箱体的横截面上有沿径向成辐射状分布的8条筋板，将屏蔽箱体分成8个区(各区编号见图1)，13个空气调节阀为每个区域分配不等的流量。

为配合反应堆实际需要，在堆顶固定屏蔽上开有27个贯穿孔，一回路主循环泵、中间热交换器等设备经由这些孔道从堆容器中伸到堆顶固定屏蔽上部，主容器支承颈也穿过堆顶固定屏蔽。冷却系统为带走这些部件的热量专门设置了一系列竖直风道。另外，该设备上还存在21个盲孔。由以上分析可发现堆顶固定屏蔽是一结构复杂、空间拥挤的大型设备[2-3]。

由于堆坑内存在较多余热，且各种贯穿件也会散发出较多热量，因此堆顶固定屏蔽处在一高温的工作环境，为保证该设备具有足够的结构强度，完成各种设计功能，需对其进行足够的通风冷却。

堆顶固定屏蔽冷却系统设计上既要保证整体冷却效果，又保持一定的独立性。为便于冷却，该冷却系统设计中采用了多次流量分配、水平风道与竖直风道交错冷却、水平风道分区块、利用阀门调节空气流量等多种手段，最终形成的冷却系统非常复杂，其冷却系统流程图如图2所示。

2 计算模型及方法

CFD方法是流体力学的一种有效研究手段，能够充分利用计算机强大的计算能力解决各种复杂的流动问题，具有适用范围广、研究成本低、结果全面和直观的特点[4]。由于堆顶固定屏蔽冷却通风流道复杂、重要细节较多，难以进行理论分析求解和布置测点，因而适合采用CFD方法对其流场进行数值研究。本工作采用CFX软件进行计算分析。

实际运行中，堆顶固定屏蔽下部热、上部冷，各贯穿件周围温度较高，其不均匀的温度分布会使冷却系统各处空气的温度、物性、所受浮升力等变得不均匀，进而对水平风道空气流态及系统压降等方面产生影响。对其进行温度场和流场耦合计算可详细考虑温度对流场的影响。但堆顶固定屏蔽尺寸巨大、结构极其复杂，进行温度场和流场的整体计算时流固高度热耦合、热源很复杂，且需要极多的网格和计算资源。因此，本文暂不考虑温度不均匀性对流场分布的影响和局部可能存在的自然对流。

图2 堆顶固定屏蔽冷却系统流程Fig.2 Process of cooling system for fixed shielding platform

本文建立了与实际结构尺寸1∶1的计算模型，如图3所示，包括汇流箱、第2层水平风道、第3层水平风道、10类竖直风道等，对于一些影响流动和流量分配的重要细节区域(如13个空气调节阀和竖直风道入口处的通风窗、大量通风孔等结构)也按照实际情况建模和分析，充分考虑这些结构对流动造成的影响。

在阻力环节建模方面，通风窗共有两类，分别是中间热交换器风道入口处均匀分布的4个100 mm×100 mm×10 mm的通风窗和独立热交换器风道入口处均匀分布的3个85 mm×95 mm×20 mm的通风窗，流体经过这些通风窗后进入一环形腔，然后流经通风孔进入对应的竖直风道中。各竖直风道入口处均有1圈沿圆周均匀分布、数目不等的通风孔，其直径分为30 mm和50 mm两种，热交换器风道入口通风孔的大小可通过进风调节器来调节，建模时采用设计开度对应的尺寸。调节阀建模时，对于阀门入口窗、内外圆筒、螺杆、螺帽、肋板等主要结构均按照实际尺寸建模，对于螺纹等少量几何细节由于对流动影响非常小，建模时进行了省略。调节阀的几何模型如图4所示。

a——进风管；b——汇流箱；c、h、i、j、l——竖直风道；d——调节阀；e——第2层水平风道；f——第3层水平风道；g、k——通风窗和进风调节器

图4 调节阀几何模型Fig.4 Geometry model of regulating valve

本文采用四面体非结构网格划分方法，流动模型采用k-ε模型，壁面附近湍流处理采用壁面函数方法，并考虑重力对流动的影响。计算针对额定工况进行，此时冷却系统空气流量为46 692 m3/h，空气平均温度为45 ℃，空气物性选取标准大气压、45 ℃时的空气物性数据[5]。边界条件选用速度入口和压力出口，入口速度为额定工况对应的入口流速25.27 m/s，出口压力为0 Pa，壁面采用无滑移边界条件。

针对网格数量对计算结果的影响进行了敏感性分析，以进出口之间的压降作为敏感性分析所考察的变量，结果列于表1。由表1可知，当网格数从527万增加到703万时，进出口压降只变化了0.6%，这说明计算结果基本达到了网格无关解，因此最终的网格数取703万。

3 计算结果和分析

3.1 冷却系统整体流动特性

图5为堆顶固定屏蔽各层水平风道的流场。由图5可见：通风窗和通风孔等节流处、几何结构较狭窄位置、送风量较集中位置空气流速明显较大，其余区域流速较低，流动较为平稳；汇流箱流速整体高于第2层水平风道流速和第3层水平风道流速，流动最为剧烈，第3层水平风道整体流速最慢。

表1 网格敏感性分析Table 1 Mesh sensitivity analysis

a——汇流箱；b——第2层水平风道；c——第3层水平风道

汇流箱体积较小，孔道却有很多，这使得汇流箱流道非常狭窄和拥挤，流体在流经狭窄流道、通风窗、通风孔和调节阀时流速显著增大。考察汇流箱外围近乎均匀分布的6个进风管道，可以发现靠近主泵的两个进风管由于处在汇流箱非常狭窄的角落，导致其周围流体流速明显较其余4个进风管附近流速大，这增大了汇流箱内流体的流动不均匀性，这两个进风管的位置设置存在问题，需进一步优化。汇流箱内最高流速可达60 m/s以上，出现在几何结构较狭窄位置和换热器通风孔区域，距进风管较近的位置由于空间狭窄，导致该位置流速达30 m/s以上；第2层水平风道流通空间相对大一些，最大流速不到39 m/s，出现在主泵风道附近区域，竖直风道入口通风孔处流速较高，普遍在10 m/s以上，主泵风道和换热器风道周围区域出现了高流速区；第3层水平风道整体流速最慢，最高流速出现在该风道外围通风孔附近区域，流速为5～10 m/s，其余区域流速普遍小于3 m/s，且该风道出现了多处漩涡结构。

图6 冷却系统压力分布Fig.6 Pressure distribution of cooling system

冷却系统压力分布如图6所示，汇流箱内压力最高，流体流经通风孔后压力明显降低。入口处平均压力为2 828 Pa，出口压力为0 Pa，系统压降为2 828 Pa。

该冷却系统在设计上应用了分层冷却的方式，通过两次流量分配，由水平风道为各竖直风道分配流量。3层水平风道、两次流量分配的设计既保证了对整个固定屏蔽的整体冷却，又增加了空气流量调节的灵活性。

该冷却系统将大尺寸风道化整为零，分别进行控制，通过将第2层水平风道分为8个区块并设置数目不等的空气调节阀的方式，提高了对大区块流量分配进行调节的效率和精细程度。另外，分成8个区块可将冷却空气限制在各区块内部流动，减少大范围横向流动的出现，使流场更为优化，减弱对设备稳定性的影响。

堆顶固定屏蔽冷却系统通过两次流量分配、分层、分块、独立的调节阀和数量极多的通风孔实现了对该设备内部结构(尤其是混凝土)和各贯穿件进行多层次、全方位的有效冷却。

3.2 调节阀位置分布对流场的影响

图7为堆顶固定屏蔽第2层水平风道第2区和第6区的流场。第2层水平风道第2区和第6区几何结构和尺寸相同，唯一的差别是3个空气调节阀的布置方式不同：第2区的3个阀门集中布置在主泵风道左上方，而第6区调节阀分布相对均匀一些，两个位于主泵风道左下角，另一个位于主泵风道右下角。从图7可看到，空气调节阀位置对水平风道流场形态有显著影响：较集中的调节阀布置方式造成流场出现大范围高速区，这不利于设备的稳定性(图7a)；较均匀的调节阀布置方式有利于形成更优的流场，可避免出现大范围高速区，有利于设备稳定性(图7b)。通过以上分析，建议尽量均匀布置调节阀，将流动对设备稳定性的影响减至最小。

3.3 通风孔对流场的影响

图8为主泵风道和中间热交换器风道的局部流场。从图8可清楚看出，主泵风道竖直段空气流动发生了偏离竖直向下方向的情况，而在中间热交换器风道，流体在风道竖直段保持竖直向下流动，没有发生偏离。两类风道入口通风孔附近的流动情况示于图9。由于中间热交换器风道内设置了两道通风孔，导致空气在连续两次流量分配后变得更加均匀，空气在竖直段均向下均匀流动，没有偏离。而主泵风道只设一道通风孔，不足以使空气经过一次流量分配后变得均匀，因而空气流动发生偏离。与之相似的其他竖直风道也出现了类似现象。

图7 第2层水平风道第2区(a)和第6区(b)的流场Fig.7 Flow fields of part 2 (a) and part 6 (b) in the second horizontal channel

图8 主泵风道(a)和中间热交换器风道(b)的流场Fig.8 Flow fields of primary pump channel (a) and intermediate heat exchanger channel (b)

图9 主泵风道入口(a)和中间热交换器风道入口(b)的局部流场Fig.9 Local flow fields of inlet region for primary pump channel (a) and inlet region for intermediate heat exchanger channel (b)

图10为中间热交换器风道流场截面图，从图10可清楚看到通风窗和通风孔对流体的节流作用，流体经过这些结构时流速迅速增大，而进入竖直风道后流动变得均匀缓慢。另外，通风窗外侧区域存在明显漩涡流动，在从通风孔进入的高速流体上下区域出现了两个明显的漩涡结构，这与流体向低压区高速流动夹带周围流体转动的预期相吻合。流入中间热交换器风道的流体就是这样经过两道节流结构的作用而变得更加均匀。

图10 中间热交换器风道流场截面图Fig.10 Flow field on section plane of intermediate heat exchanger channel

通过以上分析可发现，采用两道节流孔能增强竖直风道空气流动的均匀性。由于竖直风道内空气均匀流动有利于对设备进行冷却和减小对设备稳定性的影响，建议今后类似冷却系统尽量采用两道节流装置，以提高竖直风道空气流动均匀性。

竖直风道空气流动的均匀性还与第2层水平风道流动均匀性相关，增强流动均匀性还可从优化6个进风管和13个空气调节阀的位置分布来实现，使空气在水平风道中分布更加均匀合理，避免某些进风管道或阀门位置不合理导致水平风道出现流动极不均匀的情况。

3.4 流量分配情况

表2、3分别列出第2层水平风道各区块和6个换热器风道的流量分配情况。经计算发现，流入全部区块流量较所需流量低13.8%(从而换热器风道以外的其他竖直风道流量较所需流量低13.8%)，流入6个换热器风道的流量较所需流量高20.6%。这说明按照设计文件中空气调节阀的开度[6]会导致第2层水平风道流量显著偏低、换热器风道流量显著偏高，这对于依靠从第2层水平风道取风来冷却的很多贯穿件是十分不利的。

表2 各区块的流量分配Table 2 Distribution of flow rate for each part

在实际运行中，为保证各风道流量尽量与所需流量一致，应适当增大调节阀的开度，以增加流入第2层水平风道各区块及对应竖直风道的冷却空气流量。

表3 6个换热器风道的流量分配Table 3 Distribution of flow rate for six heat exchanger channels

4 结论

本文利用CFD方法对额定工况下CEFR堆顶固定屏蔽冷却系统的流场进行了三维数值模拟研究，主要结论如下。

1) 3层水平风道内空气平均流速自上而下逐渐降低，第3层水平风道内空气流动尤其缓慢，并存在很多局部漩涡；

2) 竖直风道流场呈现出不同的特点，部分竖直风道空气均匀竖直向下流动，另一些竖直风道内空气流动出现了偏离和不均匀的情况，在竖直风道入口处应尽量采用两道通风孔的设计，提高流动均匀性，增强冷却效果；

3) 调节阀位置分布对流场有明显影响，不合理的位置分布会造成大范围的高流速区，对设备稳定性有不利影响，应当使调节阀尽量均匀布置，改善流场分布；

4) 按照设计文件中的阀门开度，第2层水平风道流量低于设计流量，换热器竖直风道流量高于设计流量，实际运行中为了更好地达到冷却效果，应合理增大调节阀开度，提高第2层水平风道各区块的冷却空气流量。

堆顶固定屏蔽在CEFR中承担重要功能，需要对其进行足够的冷却。本工作对其冷却系统的流动特性进行了详细分析，可对今后类似冷却系统的设计提供一定参考，对于快堆运行安全也具有重要参考意义。

[1] 中国原子能科学研究院中国实验快堆工程部. 中国实验快堆最终安全分析报告[R]. 北京：中国原子能科学研究院，2008.

[2] 中国原子能科学研究院中国实验快堆工程部. 堆顶固定屏蔽技术规格书[R]. 北京：中国原子能科学研究院，2003.

[3] 中国原子能科学研究院中国实验快堆工程部. 堆顶固定屏蔽施工图册[R]. 北京：中国原子能科学研究院，2006.

[4] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[5] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[6] 雒晓卫. 堆顶固定屏蔽通风系统流量调节阀水力设计[R]. 北京：清华大学核能与新能源技术研究院，2001.

Numerical Research on Flow Characteristic of Cooling Syste for CEFR Fixed Shielding Platform

MA Xiao, ZHANG Dong-hui

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-95,Beijing102413,China)

The fixed shielding platform plays important function in China Experimental Fast Reactor (CEFR), and it’s extremely important to sufficiently cool it. In this paper, CFD method was used to perform three-dimensional numerical research on the cooling system for fixed shielding platform. Flow characteristic and hydraulic design of the cooling system were analyzed detailedly. The optimization suggestions were put forward on the defects in the design. The results show that the cooling system can basically meet the requirements, but some parts need to be optimized. Flow field distribution in horizontal channels will be improved with more uniformly distributed regulating valves. The uniformity of airflow in vertical channels can be improved with two sets of throttles at inlets. The openness of regulating valves should be properly increased to further meet the requirements of flow distribution. This work can provide reference for operation safety of CEFR and design of similar cooling systems in the future.

China Experimental Fast Reactor; fixed shielding platform; flow characteristic; numerical research

2014-03-20;

2014-11-25

马 晓(1988—)，男，山西长治人，硕士研究生，从事反应堆热工水力研究

TL333

A

1000-6931(2015)07-1220-07

10.7538/yzk.2015.49.07.1220