CAP1000一体化堆顶组件风冷系统流场分析

于 浩 张 明 冯少东 郝国锋 翁 羽

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

CAP1000一体化堆顶组件风冷系统流场分析

于 浩 张 明 冯少东 郝国锋 翁 羽

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

为验证反应堆一体化堆顶组件的设计能否满足功能要求，采用计算流体力学(CFD)方法对CAP1000改进设计的一体化堆顶组件冷却系统进行流场分析，获得了冷却系统的流场分布，从而为不同工况下的风机选型要求和一体化堆顶组件冷却系统功能提供了技术支持。

CAP1000，一体化堆顶组件，流场分析，计算流体力学

反应堆一体化堆顶组件(Integrated head package，IHP) 是三代非能动核电技术的重要创新设计之一，其与反应堆压力容器堆顶集成调装的功能大大简化了反应堆换料的工序，节省了换料所用的时间，体现了设计上的先进性[1]。为控制棒驱动机构(Control rod drive mechanism CRDM)的磁轭线圈提供冷却是一体化堆顶组件主要功能之一，因此，设计中保留了IHP的冷却系统。这一系统在设计上与我国传统核电厂采用的CRDM冷却方式变动较大，相关的设计经验比较缺乏。

本文以CAP1000反应堆的IHP冷却系统为主要研究对象，针对该系统完成对CRDM冷却功能的过程，采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics CFD)的方法，建立有限元分析模型，研究IHP的冷却流场的分析方法，考察风机设置和布局的合理性，验证风机性能，计算出IHP流场分布情况，为探索CAP1000反应堆的CRDM冷却方法，改进IHP的设计提供技术支持。

1 结构简介

一体化堆顶组件的通风冷却系统由风机、风阀、风管、风管配件、风管支承、通风围板、围筒、仪表及电气部件等组成，以满足设计规范书中对控制棒驱动机构磁轭线圈部件的冷却要求。一体化堆顶组件的结构如图1所示[2]。

控制棒驱动机构冷却空气通过围筒上的风门进入围筒。通风围板安装于风门上方的围筒内侧，在控制棒驱动机构周围形成间隙一致的通道，以提供均匀的冷却空气。风管为冷却空气提供了从通风围板上方流出围筒的通道，并将空气引入风机。冷却空气在IHP中的流动路径如图2所示。

图1 一体化堆顶组件三维模型Fig.1 IHP 3-D model.

图2 IHP冷却风的流动路径图Fig.2 IHP flow path configuration.

2 计算方法

IHP流场冷却计算是以CFD的方法完成流场和温度场的计算分析工作。计算部分用ANSYS CFX 12.0程序进行计算，整个计算的模型首先以Autodesk Inventor软件构建，通过ANSYS Workbench软件导入分析模块，在ANSYS Workbench中完成计算域的组合后用ANSYS ICEM-CFD进行网格划分，最后经CFX-Pre进行计算设置，通过CFX-Solver Manager进行计算，再通过CFD-Post评估计算，取出计算结果，得到模型压降和出口温度，确定CRDM区域的流速，可视化流场。

2.1模型简化

为了有效控制计算的精度，IHP流场模型需要进行适度的简化。由于CRDM组件的尺寸复杂，与IHP整体相比，其结构尺寸较小，在整体网格处理中会遇到很大困难。为了减少计算量，将整个模型拆分成单个CRDM换热模型和IHP整体流场模型二部分分别建模，在整体模型中，将每一个CRDM组件简化成只有换热壁面的柱状模拟体。这样，整体模型保留IHP冷却路径上的主要结构，如风门、CRDM通风围板、IHP围筒、DRPI板、风管等结构，对于CRDM的磁轭线圈的区域采用简化的柱状模型代替，将磁轭线圈的发热功率采用均布的方法加载到CRDM区，风机的区域保留其内部形状，但不模拟风机叶片，而在出口区域加载风机载荷。在冷风入口处模拟自由空气构建入口模块，采用Inventor完成的IHP风冷CAD模型如图3所示，左边是整体模型，右边是单个CRDM的模型。在分析计算过程中采用以下假定条件：

图3 IHP风冷模型示意图Fig.3 IHP flow model configuration.

1) 为了保证计算的实施，对模型进行了一定的简化，简化了模型的接口、围筒内布置的电缆、CRDM抗震结构和风机内的叶片等，这些位置的能量损失都考虑在模型中，因此，这些改动对分析影响可以忽略；

2) 在计算CRDM区的阻力系数时，假定阻力的方向是一维的，忽略横向流的影响。

2.2网格处理

通过Inventor软件中的ANSYS插件，将完成的整体IHP几何模型导入Workbench中进行网格处理。处理的过程中，先采用Geometry模块将CAD模型中不同的模块组合成同一个计算域，后采用Workbench下集成的ICEM-CFD进行网格处理，由于模型比较复杂，用四面体网格进行处理。不同疏密的网格对于计算的结果有一定的影响，为了做到与网格无关性，需要对不同数量的网格进行计算测试，经测试，选用的计算模型网格单元数为320万个[3,4]。单个CRDM的模型主要是为了获取换热系数，为更加精确的计算，采用的尺寸更小，网格数为520万。

2.3边界设置

IHP工作的环境为安全壳内，流体介质为常温下的空气，由于流体速度较大，结构复杂，产生湍流。计算选用的流体介质为可压缩的理想气体模型，参考压力为一个标准大气压，热传递方式为热能模式，湍流模型选用工业上常用的k-Epsilon。除了整体域的设置之外，对CRDM子域的能量边界进行设置，在各向同性的能量损失选项中选取“线性和二次项系数”时需要计算二次项系数的阻尼系数。阻尼系数的计算输入来自设计规范书中要求的CRDM线圈间的平均设计流量为15 m·s−1，根据单个模型的计算结果，得到二次阻尼系数为9.643 kg·m−4。

由图1可知，CAP1000核电厂的IHP在设计中预置了4个风机，但规范书要求在正常工况下，只有2个风机工作，风机的位置如图4所示，由于位置并不完全对称，因此，需要验证不同位置的风机组合是否能够满足设计的要求。在计算过程中，将风机A设置为速度出口，风机B、C、D依次设置为速度出口，不在运行状态的风机设置为壁面边界条件，以模拟两个风机正常运行的工况。

CRDM产生的热载荷根据设计规范书中规定，假设每个CRDM组件产生的热载荷为12 kW，总的为69个为828 kW，从围筒传递到系统的热载荷为15 kW，因此，总的系统热载荷为843 kW。将这一热载荷以均布能量的方式加到整体模型的CRDM边界上。

图4 IHP风机位置示意图Fig.4 IHP fan position configuration.

3 分析结果

单个CRDM模型分析的目的是为考察CRDM区的阻力换算系数，整体模型的目的是为验证风机的运行组合是否能够满足设计规范书的要求。

3.1 CRDM模型

单根CRDM模型的阻力特性包括垂直方向上的阻力系数和水平方向上的阻力系数。设定单根CRDM计算模型的入口边界条件为风机运行体积流量在69根CRDM上的平均值(0.417 kg·m·s−1)，垂直阻力计算的入口流从下方垂直掠过CRDM，水平阻力计算的入口流从水平方向横掠过CRDM磁轭线圈区。计算得到的CRDM磁轭线圈的压降和阻力系数如表1所示。计算得到的垂直方向流场分布如图5和图6所示，由于CRDM磁轭线圈外壳使用分节设计，当流体沿垂直方向流过其外部时，相当于流过多级突扩、突缩管，则在此过程中将产生较大的结构阻力，从壁面静压云图5可以看出。

表1 CRDM磁轭线圈阻力特性Table 1 CRDM coil stack resistance coefficients.

图5 CRDM垂直壁面静压云图Fig.5 CRDM vertical static pressure contour distribution.

图6 CRDM垂直壁面流线图Fig.6 CRDM vertical streamline distribution.

3.2 IHP模型

整体IHP模型分别计算了AB、AC和AD 3种组合下的工况，计算结果显示，最大压降值出现在AC组合中为1.017 kPa，最小压降值出现在AB组合中为0.987 kPa。CRDM间平均流速在3个模型中都为25.8 m·s−1，大于规范书要求的15 m·s−1。AC组合的最小流速为22.0 m·s−1，AB和AD组合的最小流速为21 m·s−1，大于规范书要求的9 m·s−1，证明了3种组合工况都能满足规范书要求。以A、B 2个风机同时运行的工况为例，图7给出了冷却系统的总压分布云图，图8给出了系统的流线分布图，图9给出了CRDM区中部竖直方向的速度分布云图，图10给出了风机A和B运行时2个运行风机的速度剖面对比分布云图。

图7 系统的总压分布云图(AB)Fig.7 System model total pressure contour distribution(AB).

图8 系统的流线图(AB)Fig.8 System model streamline distribution(AB).

图9 CRDM区中部竖直方向的速度分布云图(AB)Fig.9 System model velocity contour distribution-CRDM slice plane (middle)(AB).

图10 两个运行风机的速度剖面对比分布云图(AB)Fig.10 FanA and FanB velocity contour distribution(AB).

4 结语

通过对CAP1000反应堆的一体化堆顶组件冷却系统进行研究，采用CFD的方法，将系统进行建模分析，证明了所选风机的合理性和IHP设计的科学性。数值模拟的结果表明：CAP1000一体化堆顶冷却系统的设计能有效的为CRDM磁轭线圈提供冷却，通过对其流场的考察，证明不同风机组合下能实现设计规范书的要求。

1 孙汉虹, 程平东, 缪鸿兴, 等. 第三代核电技术AP1000[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010: 229–230 SUN Hanhong, CHENG Pingdong, MIAO Hongxing, et al. Generation III Nuclear Power Plant AP1000[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010: 229–230

2 闵鹏. 一体化堆顶组件设计规范书[S]. 上海: 上海核工程研究设计院, 2011 MIN Peng. Design Specification for Integrated Head Package(IHP)[S]. Shanghai: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2011

3 浦广益. ANSYS Workbench 12 基础教程与实例详解[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2010: 33–64 PU Guangyi. ANSYS Workbench 12 Foundation Course and Detailed Examples[M]. Beijing: China Water Power Press, 2010: 33–64

4 孙纪宁. ANSYS CFX 对流传热数值模拟基础应用教程[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010: 189–211 SUN Jining. ANSYS CFX convective heat transfer numerical simulation foundation course[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010: 189–211

CAP1000 integrated head package airflow system fluid field analysis

YU Hao ZHANG Ming FENG Shaodong HAO Guofeng WENG Yu
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: The Integrated Head Package (IHP) is required to provide CRDM cooling. Purpose: In order to evaluate the CRDM ventilation system to ensure that there is adequate flow to cool the CRDMs. Methods: The CFD method is used to calculate the fluid field of CAP1000 reactor IHP airflow system. Results: This analysis demonstrates that the IHP design meets or exceeds the requirements and will therefore provide the required cooling air flow to the CRDMs. Conclusions: The results will provide the technical support for the choice and design of cooling fan.

CAP1000, Integrated head package, Fluid field analysis, CFD

TL45，TB65

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040624

于浩，男，1982年出生，2008年于上海交通大学工程力学系获硕士学位，研究方向：反应堆结构力学

2012-10-31，

2012-12-07

CLC TL45, TB65