先进安注箱阻尼器水力特性数值模拟分析

贺艳秋 张 妍 袁朝飞

(中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室，四川 成都610041)

0 引言

核电厂依靠传统安注箱满足再灌水阶段的大流量需求，并依靠低压安注系统来满足再淹没和长期冷却阶段的小流量需求。若低压安注系统不能及时启动将使堆芯不能被有效冷却，而导致堆芯熔化的严重事故发生。为此，日本和韩国率先设计了一种可改变注入流量的先进安注箱[1，2]，即在安注箱内增加阻力调节装置——阻尼器，并开展了相关理论分析和实验研究。国内也有研究人员针对不同的先进安注箱特性开展过一些数值模拟[3-5]。

由于阻尼器的存在，先进安注箱在大流量注入后自动过渡到小流量注入，其效果如传统压水堆的低压安注泵投入初期的注射特性。因此先进安注箱不仅可以代替传统安注箱，还可以获得较长的宽限时间以启动低压安注系统，更进一步可能取消低压安注系统，以完成低压安注功能。这不仅减少了能动安全设施，使系统得以简化，且避免了人为干预可能产生的误操作，提高了安全性。

为进一步认识阻尼器水力学特性，本文采用CFD方法针对典型结构形式的阻尼器开展了数值模拟，获得了不同安注阶段的阻尼器流场特点和压降特性，分析了影响阻尼器压降特性的关键因素，为阻尼器及先进安注箱设计优化提供技术支持和参考。

1 几何建模与网格划分

使用UG三维制图软件对阻尼器进行几何建模，利用ICEM CFD网格划分软件对其进行四面体/六面体网格划分，并开展了网格敏感性分析。

阻尼器几何及网格划分示意如图1所示，阻尼器主要由漩涡室、大管、小管和出口管组成。网格质量直方图如图2所示，最低质量0.354，最高质量0.999，平均质量0.718。出口平均流速随网格数量的变化结果如图3所示，当网格数量达到55.6万时，结果已经不随网格数量变化而变化。

图1 几何及网格划分图

图2 网格的质量直方图

图3 出口平均流速随网格数量的变化情况

边界条件设置为：大小管入口流速边界，出口管压力边界，壁面无滑移边界，整个过程不考虑传热。出口管方向考虑重力加速度为9.81 m/s2。

2 结果分析

2.1 流场特点

图4给出了不同安注阶段阻尼器横截面速度云图。在大流量阶段，流体分别经大管和小管流进漩涡室，在漩涡室内部产生交混后，流进出口管；小流量阶段，流体经小管流进漩涡室，在漩涡室内部周向旋转，最终流进出口管。图5给出了大小管入口交汇处的流速矢量图。由图可知，大流量阶段，由于来自大管和小管的流体相互冲击，使得两股流体在切向的流速相互抵消，形成沿直径方向流至漩涡室出口的汇合流量。小流量阶段，由于没有来自大管流体的相互作用，小管流体沿漩涡室切向进入，在漩涡室周向强烈旋转，呈旋涡状流向漩涡室出口。

图4 不同流量阶段，阻尼器横截面速度云图

图5 不同流量阶段，阻尼器大小管交汇处速度矢量图

2.2 压降特性

图6 给出了不同安注阶段，阻尼器总压降随流量的变化情况。由图可知，在不同安注阶段，随流量的增加，总压降均增大。

图6 阻尼器总压降随流量变化情况

定义压降系数K，总压降与压降系数有如下关系：

式中，ΔPt为漩涡室进出口总压降，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；A为安注管出口的截面积，m2；Q为安注流量，kg/s。

不同安注阶段下的压降系数K如图7所示。结果表明，两种安注阶段下的压降系数不随流量的改变而改变。大流量安注阶段，压降系数约1.07，小流量安注阶段，压降系数约10.59。小流量安注阶段漩涡室的压降系数约是大流量安注阶段的10倍。

图7 阻尼器压降系数随流量变化情况

在不同安注阶段，阻尼器的压降系数均为常数，只要确定了先进安注箱内氮气空间与堆芯的压差，就可以根据压降系数计算得到安注流量。反之，在系统设计时可根据不同安注阶段所需的流量，确定所需的压降系数。

2.3 大流量安注阶段的压降特性

典型阻尼器结构包括两个具有一定夹角的入口和一个出口，示意如图8所示。在大流量阶段，阻尼器阻力系数最小的条件应为大小流量管注射的切向动量之和等于零[6]。而且，合成流量方向必须指向漩涡室出口中心。即与漩涡室相切方向的动量分量的大小相等，且方向相反。

图8 典型结构阻尼器示意图

其中，Q为体积流量，V为流速，下标S，L分别表示小流量和大流量。φ为小管流速与阻尼器切线夹角，ψ为大管流速与阻尼器切线夹角，θ为大小入口流量的夹角。它们之间关系为φ+θ+ψ=180°。另外，QS=VSbH，QL=VLBH，H为漩涡室的高度，b为小管边长，B为大管边长。

求解上式得如下关系式：

由此可知，在确定的几何条件下，存在一个最优比流速，使得阻尼器压降系数最小。该最优比流速与大小管与阻尼器切线夹角、大小管宽度之比有关。对于给定的几何参数，如本文几何建模所用参数：小管沿切线方向进入阻尼器，则φ为0°，大小管夹角θ为110°，则φ为70°，由上式可以得到VL/VS=5/5.6。

表1给出了特定几何结构下，两个入口流速取不同值时，阻尼器的压损特性计算结果。由此可知，阻尼器在最优比流速VL/VS=20/22.4=5/5.6条件下，压降系数最小，计算结果与理论分析一致。

图9给出了表1对应工况下，总压降和压降系数随安注流量的变化情况。由图可知，阻尼器的压降系数与大小管入口流速的比值有关；不同流速比条件下，压降系数有较大差异；总压降并不与出口流速成正比。

图9 大流量安注阶段，阻尼器压损特性

表1 不同流速?工况阻尼器压损特性

实际设计阻尼器时，可通过在大小管入口处增设形阻，以获得不同的流速比，从而获得不同的压降系数。通常阻尼器在大流量阶段压降系数取最小，这样带来的益处在于相同的流量需求和堆芯压力下，安注箱初始压力可设置在较低水平，具有一定的经济性。

2.4 小流量安注阶段的压降特性

小流量安注阶段，为了在漩涡室内形成尽可能强烈的漩涡，小管沿切线方向进入漩涡室。任一位置处的切向速度Vr等于[6]：

考虑漩涡室内部涡旋的压损，则有：

其中，n是反应漩涡室内涡旋类型的参数，n=1时，表示强迫涡旋，n=-1时，表示自由涡旋，实际情况中，n介于-1到1之间，与漩涡室的几何特性和水物性有关。

此外，小流量安注阶段压降系数主要与出口管与漩涡室直径的比值有关。根据上述计算参数，反推至n=-0.368，属于自由涡旋与强迫涡旋组合的混合涡旋。假设n不变，且保持阻尼器出口管径不变，由上式可知，阻尼器半径R越大，小流量阶段压降系数越大。

表2给出了不同阻尼器直径，小流量安注阶段，阻尼器压损特性计算结果，并将计算结果绘制于图10。由图可知，在小流量安注阶段，总压降和压降系数随阻尼器直径的增大而呈现增大趋势。

图10 小流量安注阶段，阻尼器压损特性

表2 不同阻尼器直径下阻尼器压损特性

综上，只要具有类似结构特性的阻尼器，均可以获得两个差值较大的压降系数。在先进安注箱阻尼器设计时，根据不同安注阶段所需的流量比，选定阻尼器压降系数比，再结合阻尼器的压损特性，确定阻尼器的具体几何参数。

3 结论

本文采用CFD软件对具有典型结构特点的阻尼器开展了数值模拟，获得了阻尼器水力学特性，分析了不同安注阶段阻尼器的流场特点和压降特性，获得了影响阻尼器压降特性的关键因素。所获结论如下：

（1）阻尼器具有两种明显不同流场和压降特点的水力学特性，大流量阶段呈现交混压降特性，小流量阶段呈现漩涡压降特性。小流量阶段阻尼器压降系数可达大流量阶段的10倍。

（2）大流量阶段，阻尼器压降系数与大小管入口流速、大小管宽度、大小管与阻尼器切线夹角有关，在确定的几何条件下，存在一个最佳流速比，使得阻尼器在大流量安注阶段的压降系数最小。

（3）小流量安注阶段，阻尼器压降系数与阻尼器直径和出口管直径之比有关，在出口管直径不变的情况下，压降系数随阻尼器直径的增大而增大。