丁宗華， 劉　彬， 林紹萱， 張　明

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院， 上海 200233)

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核電技術(shù)

CAP1400反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)

丁宗華， 劉彬， 林紹萱， 張明

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院， 上海 200233)

摘要：為了驗(yàn)證CAP1400反應(yīng)堆堆芯入口流量分配的均勻程度和獲得反應(yīng)堆進(jìn)口接管至出口接管各關(guān)鍵段的水力特性(流速和壓降)，需要開(kāi)展CAP1400反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)件設(shè)計(jì),對(duì)此詳細(xì)介紹了模型比例主要考慮因素、比例模型遵守的相似關(guān)系、模型設(shè)計(jì)原則以及主要模擬試驗(yàn)件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，為類似試驗(yàn)件設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆； 水力模擬； 試驗(yàn)件; 相似關(guān)系

反應(yīng)堆內(nèi)部冷卻劑的流動(dòng)錯(cuò)綜復(fù)雜[1]，采用理論計(jì)算難以給出準(zhǔn)確的反應(yīng)堆內(nèi)部流動(dòng)特性參數(shù)，而模型試驗(yàn)作為研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部流體流動(dòng)特性的重要手段之一，可以用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算方法的有效性和準(zhǔn)確性。由于經(jīng)濟(jì)性及試驗(yàn)限制條件等因素的影響，CAP1400反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)建造幾何尺寸與原型要完全相同的模型試驗(yàn)裝置不太現(xiàn)實(shí)。目前國(guó)內(nèi)外通常采用縮小比例的比例模型開(kāi)展試驗(yàn)，研究反應(yīng)堆內(nèi)部流體流動(dòng)特性。

CAP1400反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證CAP1400反應(yīng)堆堆芯入口流量分配的均勻程度，并獲得堆內(nèi)流體作用下各關(guān)鍵段的水力特性(流速和壓降)，為CAP1400反應(yīng)堆設(shè)計(jì)分析提供必需的數(shù)據(jù)。反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)件比例模型的設(shè)計(jì)是否合理，直接影響試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)能否真實(shí)反映反應(yīng)堆內(nèi)部流體流動(dòng)特性，并用于設(shè)計(jì)分析。但考慮到比例模型的經(jīng)濟(jì)性、制造加工難度、安裝可行性以及測(cè)點(diǎn)引線等因素，需要對(duì)比例模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。筆者對(duì)反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)件模型比例主要考慮因素、比例模型遵守的相似關(guān)系、模型設(shè)計(jì)原則及主要模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。

1模型比例

反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)在某研究設(shè)計(jì)院已有水力回路上進(jìn)行，需要對(duì)現(xiàn)有的試驗(yàn)回路進(jìn)行必要的改造，以滿足CAP1400反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)的要求。模型比例確定主要考慮下述幾方面：(1)由于實(shí)堆反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型設(shè)計(jì)時(shí)需考慮加工、裝配方便；(2)模型設(shè)計(jì)同時(shí)需要關(guān)注測(cè)量方面的要求，設(shè)計(jì)需要考慮傳感器的安裝布置、信號(hào)線的引出、引線和傳感器本身對(duì)流場(chǎng)的干擾；(3)現(xiàn)有試驗(yàn)回路改造時(shí)需考慮試驗(yàn)回路的改造內(nèi)容、規(guī)模、周期和費(fèi)用；(4)模型的經(jīng)濟(jì)性。綜合上述幾方面進(jìn)行詳細(xì)論證分析，最終確定本試驗(yàn)采用1∶6比例進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。

2相似關(guān)系

模型相似是比例模型試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。要進(jìn)行模型試驗(yàn)，必須考慮如何設(shè)計(jì)模型，如何選擇模型流動(dòng)中的介質(zhì)，才能保證與實(shí)堆流動(dòng)相似，使得模型上測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以正確地?fù)Q算到實(shí)堆。如果要模型與實(shí)堆的流動(dòng)力學(xué)相似，那么它們必須滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似及邊界條件相似。

由于實(shí)堆反應(yīng)堆內(nèi)流體流動(dòng)是速度遠(yuǎn)低于聲速的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，且進(jìn)出口溫差比較小、壓力比較高，所以可以按不可壓縮穩(wěn)定等溫黏性流動(dòng)來(lái)處理。實(shí)堆冷卻劑和試驗(yàn)用流動(dòng)介質(zhì)均可假設(shè)為不可壓縮黏性流動(dòng)流體，從流體運(yùn)動(dòng)N-S方程可以得出4個(gè)基本相似關(guān)系[2-3]：

(1) 表征流體遷移運(yùn)動(dòng)的慣性力和當(dāng)?shù)剡\(yùn)動(dòng)的慣性力相等，稱為斯特勞哈爾數(shù)Sr：

(1)

(2) 表征流體遷移運(yùn)動(dòng)的慣性力和質(zhì)量力相等，稱為弗勞德數(shù)Fr：

(2)

(3) 表征流體彈性壓力和遷移運(yùn)動(dòng)的慣性力相等，稱為歐拉數(shù)Eu：

(3)

(4) 表征流體遷移運(yùn)動(dòng)的慣性力和黏性力相等，稱為雷諾數(shù)Re：

(4)

式中：f為頻率；l為幾何尺寸；v為速度；υ為流體動(dòng)力黏度；ρ為流體密度；p為壓力。

若在比例模型試驗(yàn)中要全部滿足上述4個(gè)相似關(guān)系是非常困難的，實(shí)際上也是不可實(shí)現(xiàn)的，但可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求抓住主要因素而忽略次要因素，使主要的相似關(guān)系得到滿足，對(duì)其余的相似關(guān)系予以放松的原則來(lái)實(shí)現(xiàn)：

(1) 對(duì)于弗勞德數(shù)Fr，反應(yīng)堆內(nèi)流體主要?jiǎng)恿τ杀眠\(yùn)行產(chǎn)生，它是動(dòng)能源，而重力所致的非動(dòng)能源非常小，可以認(rèn)為重力不影響流場(chǎng)，故可不考慮弗勞德數(shù)Fr相似關(guān)系。

(2) 對(duì)于斯特勞哈爾數(shù)Sr，反應(yīng)堆內(nèi)如果僅考慮流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)而不考慮瞬態(tài)流動(dòng)時(shí)，則可以不考慮斯特勞哈爾數(shù)Sr相似關(guān)系。

(3) 對(duì)于雷諾數(shù)Re，模型與實(shí)堆要完全相似十分困難，但在實(shí)際反應(yīng)堆內(nèi)冷卻劑的雷諾數(shù)Re很高。只要模型比例合適，取水為介質(zhì)，使得比例模型內(nèi)流體的雷諾數(shù)Re進(jìn)入自?；瘏^(qū)，流動(dòng)特性便與雷諾數(shù)Re無(wú)關(guān)，則雷諾數(shù)Re可以放松。

根據(jù)量綱分析方法，反應(yīng)堆內(nèi)流體流動(dòng)特性主要與堆內(nèi)各處流速v、水力當(dāng)量直徑d、流體密度ρ、流體動(dòng)力黏度μ、結(jié)構(gòu)表面粗糙度Δ、幾何尺寸l、流動(dòng)壓差Δp有關(guān)。反應(yīng)堆內(nèi)流動(dòng)特性可以表達(dá)成如下函數(shù)關(guān)系：

F(v,d,ρ,μ,Δ,l,Δp)=0

(5)

選取變量v、d、ρ作為基本變量，其余4個(gè)變量可以用3個(gè)基本變量的量綱的次冪形式表示，可將式(5)表達(dá)為：

(6)

根據(jù)π定理[4]，式(6)可表達(dá)為：

Eu=F(Re,π1,π2)

(7)

歐拉數(shù)Eu表征壓力和慣性力的作用，等效于流體流動(dòng)的阻力(包括形狀阻力和摩擦阻力)。因此當(dāng)比例模型試驗(yàn)的雷諾數(shù)Re進(jìn)入自?；瘏^(qū)，只要試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)堆的流道幾何相似，就能滿足模型與實(shí)堆的歐拉數(shù)Eu相似關(guān)系。通過(guò)模型測(cè)量得到的ρ、v、Δp計(jì)算出歐拉數(shù)Eu，用于計(jì)算實(shí)堆壓降。

3模型設(shè)計(jì)原則

由于反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、加工、裝配、測(cè)點(diǎn)引線等方面，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的改動(dòng)設(shè)計(jì)。模型設(shè)計(jì)主要考慮如下幾方面原則：

(1) 影響試驗(yàn)結(jié)果的流道必須幾何相似，為實(shí)堆1/6精確模擬。對(duì)不影響試驗(yàn)結(jié)果的結(jié)構(gòu)，可以做一些結(jié)構(gòu)改動(dòng)設(shè)計(jì)，如可略去本試驗(yàn)中不需要模擬的結(jié)構(gòu)(堆內(nèi)測(cè)量格架組件、上部導(dǎo)向筒組件等)；可以簡(jiǎn)化部分組件的結(jié)構(gòu)，如下部導(dǎo)向筒組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、堆芯圍筒組件和燃料組件等。

(2) 因整體水力模擬試驗(yàn)不考慮旁通流量，所以不設(shè)置有關(guān)旁通結(jié)構(gòu)，如頂蓋冷卻管、吊籃筒體出口接管與反應(yīng)堆壓力容器出口接管間隙、導(dǎo)向管旁流和堆芯圍筒組件旁流的結(jié)構(gòu)。

(3) 若以實(shí)堆零部件表面粗糙度的模型比例來(lái)加工模型零部件，那么模型零部件的表面就要達(dá)到鏡面的要求，這是很難實(shí)現(xiàn)的，這將大大增加模型的制造難度和成本。在反應(yīng)堆內(nèi)流體流動(dòng)引起的形狀阻力(與π1有關(guān))遠(yuǎn)大于摩擦阻力(與π2有關(guān))時(shí)，零部件表面粗糙度可以放松到實(shí)堆零部件表面粗糙度。

(4) 實(shí)堆的低合金鋼反應(yīng)堆壓力容器與不銹鋼堆內(nèi)構(gòu)件存在不同的熱膨脹系數(shù)，因此模型需要按實(shí)堆運(yùn)行工況的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)模擬流道，以減少對(duì)試驗(yàn)的堆芯入口流量分配的均勻程度和反應(yīng)堆內(nèi)部流體流動(dòng)特性的影響。

4模型設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)件見(jiàn)圖1。模型流道嚴(yán)格按實(shí)堆進(jìn)行精確模擬，使得堆芯支承下板的進(jìn)出口流場(chǎng)與實(shí)堆一致。所有模型與實(shí)堆的差異都不應(yīng)影響堆芯入口流量分配的均勻程度和反應(yīng)堆內(nèi)部流體流動(dòng)特性。

4.1 反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆壓力容器為一個(gè)設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa、設(shè)計(jì)溫度為80 ℃的不銹鋼容器。反應(yīng)堆壓力容器作為反應(yīng)堆流體流動(dòng)的邊界，其密封面下方的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸嚴(yán)格按實(shí)堆1/6進(jìn)行精確模擬。出于對(duì)安裝、間隙測(cè)量、潛在壓力容器下封頭導(dǎo)流圍板更換以及下腔室可視化試驗(yàn)方面考慮，將反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計(jì)成三部分，分別為平頂蓋組件、筒身段組件和下封頭組件，通過(guò)帶有密封結(jié)構(gòu)的法蘭進(jìn)行螺栓連接。反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)出口接管外側(cè)增加一段適度長(zhǎng)度的直管段，使得進(jìn)出口接管流場(chǎng)穩(wěn)定。

對(duì)突出于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)壁并位于流道內(nèi)的安注接管和徑向支承鍵鑲塊，將模擬為局部流道阻塞。

反應(yīng)堆壓力容器下封頭導(dǎo)流圍板支承塊模擬實(shí)堆結(jié)構(gòu)和位置，并設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu)，便于導(dǎo)流圍板通過(guò)螺栓(實(shí)堆通過(guò)焊接)與反應(yīng)堆壓力容器支承塊進(jìn)行連接，便于試驗(yàn)中導(dǎo)流圍板的更換。

4.2 下部堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)

下部堆內(nèi)構(gòu)件與流體接觸的尺寸(吊籃筒體內(nèi)外尺寸、二次支承結(jié)構(gòu)外部尺寸、堆芯支承下板流水孔尺寸及堆芯圍筒內(nèi)腔尺寸)嚴(yán)格按實(shí)堆1/6進(jìn)行精確模擬。對(duì)突出于吊籃筒體外壁的吊籃筒體出口接管、安注接管導(dǎo)流板、補(bǔ)強(qiáng)板、輻照監(jiān)督管支架及徑向支承鍵，將模擬為局部流道阻塞。

適當(dāng)簡(jiǎn)化突出于吊籃筒體外壁的安注接管導(dǎo)流板、輻照監(jiān)督管支架及徑向支承鍵；同時(shí)確保模擬各區(qū)域橫截面的流水面積。

將全焊接結(jié)構(gòu)件的堆芯圍筒簡(jiǎn)化為四塊板的螺栓連接件，其內(nèi)腔尺寸嚴(yán)格按實(shí)堆1/6進(jìn)行精確模擬，降低制造難度和成本。

整體水力模擬試驗(yàn)不考慮旁通流量，故取消了吊籃筒體出口接管與反應(yīng)堆壓力容器出口接管間隙和堆芯圍筒組件旁流的結(jié)構(gòu)。

下部堆內(nèi)構(gòu)件與反應(yīng)堆壓力容器之間的間隙按實(shí)堆1/6進(jìn)行精確模擬，但為了便于下部堆內(nèi)構(gòu)件的安裝，對(duì)安注接管導(dǎo)流板與安注接管的間隙進(jìn)行了適當(dāng)放松，不影響試驗(yàn)結(jié)果。

4.3 上部堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)

堆芯上板結(jié)構(gòu)尺寸按實(shí)堆1/6進(jìn)行精確模擬。上部堆內(nèi)構(gòu)件位于反應(yīng)堆流體的下游，故其結(jié)構(gòu)對(duì)整體水力模擬試驗(yàn)結(jié)果影響較小。在保證模擬導(dǎo)向筒組件外形尺寸和內(nèi)部流水面積的前提下，同時(shí)考慮測(cè)點(diǎn)引線的布置，對(duì)導(dǎo)向筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，便于制造測(cè)點(diǎn)引線和降低成本。

上部堆內(nèi)構(gòu)件通過(guò)定位銷實(shí)現(xiàn)與下部堆內(nèi)構(gòu)件和反應(yīng)堆壓力容器的定位。

上部堆內(nèi)構(gòu)件與下部堆內(nèi)構(gòu)件通過(guò)螺栓與反應(yīng)堆壓力容器實(shí)現(xiàn)壓緊，取消實(shí)堆中的壓緊彈性環(huán)，減少因壓緊彈性環(huán)帶來(lái)的制造困難和成本。

4.4 燃料組件設(shè)計(jì)

燃料組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過(guò)外形尺寸模擬實(shí)堆，在確保模擬其整體水力特性的前提下，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。采用開(kāi)式燃料組件模擬體，對(duì)每組模擬體進(jìn)行性能試驗(yàn)標(biāo)定，確保模擬體的整體水力特性與實(shí)堆相似。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述比例模型相似關(guān)系和試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹表明：

(1) CAP1400反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)件設(shè)計(jì)是遵循比例模型相似準(zhǔn)則的，模型上測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以換算到實(shí)堆參數(shù)。

(2) 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)在滿足基本尺寸幾何相似的情況下，綜合考慮制造難度、裝配工藝及測(cè)點(diǎn)引線等因素，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，從而大大降低了模型的制造難度和成本。

(3) 本試驗(yàn)件設(shè)計(jì)可為其他堆型反應(yīng)堆整體水力模擬試驗(yàn)件設(shè)計(jì)提供參考。

致謝：感謝CAP1400反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)水力模擬試驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)各位同事的指導(dǎo)幫助，在此向他們表示衷心的感謝。

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Design of Hydraulic Simulation Test Models for CAP1400 Reactors

Ding Zonghua, Liu Bin, Lin Shaoxuan, Zhang Ming

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Abstract：As a test facility, the hydraulic simulation test model was designed for CAP1400 reactors to verify the core inlet flow distribution and to obtain the hydraulic information (pressure drop and velocity) from the inlet piping to the outlet piping, to which a detail introduction was made with focus on the model scale, model similarity criterion, model design principles and main model features, which may serve as a reference for design of similar test models.

Keywords：reactor; hydraulic simulation; test model; similarity criterion

收稿日期：2015-11-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2010ZX06002-006)

作者簡(jiǎn)介：丁宗華(1981—)，男，高級(jí)工程師，主要從事反應(yīng)堆設(shè)備設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail: dingzonghua@snerdi.com.cn

中圖分類號(hào)：TL375.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)03-0153-03