龍 騰,熊光明,章貴和
(中廣核工程有限公司 核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 518172)
乏燃料貯運(yùn)容器依靠輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流耦合傳熱機(jī)制將衰變熱傳遞至大氣環(huán)境。容器表面的輻射傳熱為對(duì)外傳熱最主要的傳熱機(jī)制[1-3],因此輻射傳熱的準(zhǔn)確模擬對(duì)乏燃料貯運(yùn)容器傳熱分析至關(guān)重要。目前,工程上采用下述兩種方法模擬乏燃料貯運(yùn)容器的輻射傳熱:一是基于半經(jīng)驗(yàn)公式確定壁面的輻射和對(duì)流的換熱系數(shù)[4],作為邊界條件施加到單一熱傳導(dǎo)機(jī)制的計(jì)算模型[5],此經(jīng)驗(yàn)公式適用于特定的壞境條件和壁面結(jié)構(gòu),但需進(jìn)一步驗(yàn)證才能應(yīng)用于乏燃料貯運(yùn)容器;二是基于傳導(dǎo)-對(duì)流-輻射耦合的計(jì)算模型精確模擬乏燃料容器內(nèi)外部流場(chǎng)的換熱機(jī)制。筆者團(tuán)隊(duì)[1-2,6]對(duì)容器內(nèi)外部自然對(duì)流算法及容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究,較準(zhǔn)確地模擬了容器的對(duì)流和傳導(dǎo)的耦合傳熱效應(yīng),但在輻射傳熱分析中采用了確定性的輻射參數(shù),未考慮輻射參數(shù)在某一區(qū)間內(nèi)取值,且未對(duì)輻射參數(shù)的選取進(jìn)行深入分析。
事實(shí)上,物體的輻射發(fā)射率作為輻射傳熱的關(guān)鍵參數(shù)[7],取決于物體的材質(zhì)、表面粗糙程度、表面幾何形狀、波長(zhǎng)以及表面溫度等因素,根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)對(duì)發(fā)射率的測(cè)量結(jié)果,該數(shù)值常在一定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)[8-11]。選取過(guò)大的發(fā)射率意味向外輻射能量越多,與此同時(shí)吸收太陽(yáng)輻照的能量也越多。上述乏燃料貯運(yùn)容器熱工分析未考慮輻射參數(shù)的不確定性,國(guó)內(nèi)外也未見(jiàn)輻射關(guān)鍵參數(shù)對(duì)乏燃料容器各部位溫度分布的影響研究,如何選取合適的發(fā)射率是該容器熱工分析的關(guān)鍵問(wèn)題。
本研究是在前期乏燃料貯運(yùn)容器熱工分析的基礎(chǔ)上[1-2,6],采用傳導(dǎo)-對(duì)流-輻射耦合CFD模型,進(jìn)一步對(duì)輻射傳熱關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析,展開(kāi)對(duì)乏燃料貯運(yùn)容器在太陽(yáng)暴曬下輻射關(guān)鍵參數(shù)的研究,探索不同環(huán)境條件、不同壁面發(fā)射率、不同外部環(huán)境發(fā)射率對(duì)傳熱性能的影響,從熱工角度為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。
該設(shè)備本體由高約4.5 m、直徑約3 m、壁厚約0.4 m的容器筒體、燃料籃和燃料組件組成,如圖1所示。容器表面為環(huán)型肋片狀結(jié)構(gòu),用于增大容器表面積,加強(qiáng)對(duì)外散熱能力。燃料籃位于填充氦氣的容器內(nèi)腔之中,主體材料為不銹鋼,焊接形成多組可供存放乏燃料組件的格架,格架表面附有鋁基碳化硼。燃料組件為容器的唯一熱源,通過(guò)燃料籃、氦氣以及容器筒體往大氣傳熱。
圖1 乏燃料貯運(yùn)容器幾何模型
傳熱物理過(guò)程包括:燃料組件內(nèi)部通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)耦合模式將衰變熱傳遞至燃料籃;燃料籃格架及其周邊的氦氣通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)耦合模式將熱量傳遞至容器筒體內(nèi)表面;以及容器筒體內(nèi)表面的熱量傳導(dǎo)到外表面(包括圓柱體容器側(cè)面(含肋片)和頂面)后,通過(guò)輻射和對(duì)流模式往大氣散熱。
根據(jù)前期研究,基于Non-Boussinesq模型的高溫差自然對(duì)流傳熱精度較高[1-2],而輻射傳熱與表面發(fā)射率、輻射角、外部太陽(yáng)輻照工況等關(guān)系密切,高精度的輻射模擬對(duì)傳熱分析的結(jié)果影響明顯。
乏燃料貯運(yùn)容器CFD模型包括由燃料組件、燃料籃組件、筒體構(gòu)成的多固體域以及內(nèi)部填充氦氣和外部大氣構(gòu)成的多流體域所構(gòu)成,計(jì)算采用流固熱耦合的等效導(dǎo)熱模型、Non-Boussinesq模型模擬傳導(dǎo)和對(duì)流機(jī)制,乏燃料容器需考慮表面對(duì)輻射的吸收、反射、散射等現(xiàn)象,采用離散坐標(biāo)(Discrete Ordinates,DO)模型模擬輻射傳熱過(guò)程。該模型將輻射傳熱方程沿各個(gè)立體角進(jìn)行離散,得到空間坐標(biāo)系下的輻射強(qiáng)度的輸運(yùn)方程:
(1)
假設(shè)壁面服從Kirchhoff灰體輻射定理,即壁面發(fā)射率簡(jiǎn)化為等于吸收率,且發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。設(shè)置材料發(fā)射率和吸收衰減系數(shù)來(lái)設(shè)定吸收系數(shù)、反射系數(shù)和光學(xué)厚度。壁面發(fā)射率通過(guò)紅外熱像儀測(cè)定。氦氣和空氣假設(shè)為熱輻射透明氣體,固體為無(wú)透射材料。
容器內(nèi)部燃料格架間填充氦氣,依靠傳導(dǎo)-對(duì)流-輻射等機(jī)制耦合傳熱;容器外部大氣作為最終熱阱,依靠對(duì)流和輻射排出熱量。為模擬多重傳熱機(jī)制下乏燃料貯運(yùn)容器傳熱過(guò)程,建立了筒體、燃料籃、燃料等固體域和氦氣、空氣等流體域組成的1/2對(duì)稱(chēng)CFD模型,考慮精度和計(jì)算效率,燃料組件采用等效多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬[2],無(wú)需建立詳細(xì)模型(下文所述容器內(nèi)部不包含燃料組件內(nèi)的詳細(xì)結(jié)構(gòu))。忽略對(duì)傳熱影響較小的結(jié)構(gòu),如吊耳、密封螺栓等。外部空氣域的外表面設(shè)為壓力出口,表壓設(shè)為0 MPa;空氣域的底面和容器的底面與底面接觸,保守設(shè)為絕熱邊界,分析幾何模型和邊界條件如圖2所示。
圖2 簡(jiǎn)化模型及邊界條件
正常貯存潛在熱源包括燃料衰變熱和太陽(yáng)暴曬。衰變熱在燃料組件區(qū)域通過(guò)UDF設(shè)置“中間高、兩端低”的體積熱源;太陽(yáng)暴曬以輻射的方式加熱筒體外壁面,依據(jù)灰體假設(shè),考慮24 h平均功率和發(fā)熱率對(duì)吸收效率的影響,采用體功率方式施加在容器頂部和側(cè)面的外壁面鍍層上。太陽(yáng)暴曬體發(fā)熱功率為:
(2)
式中,ε為筒體側(cè)表面發(fā)射率;P為側(cè)面熱功率為12 h日照輻射強(qiáng)度;l為鍍層厚度。
采用DO模型并考慮容器內(nèi)部的輻射傳熱,筒體、燃料和燃料籃之間的間隙形成封閉的氦氣域,耦合面設(shè)置相應(yīng)材料的發(fā)射率。容器外壁面的發(fā)射率設(shè)置為涂層的發(fā)射率;容器外部空氣邊界采用壓力出口邊界條件,設(shè)置回流溫度、壓力以及外部環(huán)境發(fā)射率;接觸廠(chǎng)房地面的容器底部保守設(shè)為絕熱邊界,邊界條件如圖2所示。
容器內(nèi)部氦氣處于高溫差密閉空間,流體流經(jīng)復(fù)雜邊界(拐角、臺(tái)階)位置會(huì)出現(xiàn)漩渦,流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜;容器外部表面溫度接近100 ℃,近壁面空氣為自然對(duì)流湍流狀態(tài)。二者無(wú)法用簡(jiǎn)單的層流模型描述。為模擬容器內(nèi)外部自然對(duì)流流動(dòng),根據(jù)NB/T 20462—2017《壓水堆乏燃料干法貯存設(shè)施熱工分析》,湍流模型選用RNG-k模型,壁面函數(shù)取Scalable函數(shù)。
網(wǎng)格無(wú)關(guān)性通過(guò)分別加密外部空氣域網(wǎng)格和容器網(wǎng)格(含內(nèi)部氦氣域)來(lái)驗(yàn)證。首先開(kāi)展外部空氣域網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析,通過(guò)建立80萬(wàn)~140萬(wàn)4種外部空氣域網(wǎng)格,容器網(wǎng)格保持1 100萬(wàn)不變,分別提取燃料組件、燃料格架、側(cè)表面和頂面的最高溫度,如圖3(a)所示,確定外部空氣域網(wǎng)格數(shù)為120萬(wàn),用于后續(xù)容器內(nèi)部網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析。然后分別建立600萬(wàn)~1 500萬(wàn)4種容器網(wǎng)格,結(jié)果如圖3(b)所示,確定容器網(wǎng)格數(shù)為1 100萬(wàn)。因此,最終使用外部空氣域網(wǎng)格和容器網(wǎng)格組成的總網(wǎng)格數(shù)為1 220萬(wàn)的網(wǎng)格開(kāi)展后續(xù)分析。近壁面網(wǎng)格厚度無(wú)量綱數(shù)Y+≈40,處于要求的30~100的范圍內(nèi)。當(dāng)容器向外傳遞能量功率等于熱源總功率時(shí),認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂。
(a)外部空氣域
發(fā)射率采用紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)量。首先在熱像儀中輸入大氣參數(shù)、環(huán)境溫度、被測(cè)物體表面溫度,并設(shè)置紅外熱像儀發(fā)射率為1,得出熱圖像溫度;再利用熱像儀測(cè)溫原理,計(jì)算出熱像儀探測(cè)到的總輻射發(fā)射率,進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)物體表面發(fā)射率。根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[7-10],不同材質(zhì)、表面處理工藝、環(huán)境等因素下主要區(qū)域發(fā)射率結(jié)果如表1所示。后續(xù)基于該結(jié)果開(kāi)展表面發(fā)射率對(duì)容器傳熱特性的影響分析。
表1 主要材料的輻射發(fā)射率
無(wú)暴曬和有暴曬條件下,外壁面發(fā)射率對(duì)傳熱的作用方式不同:無(wú)暴曬下,外壁面發(fā)射率僅影響容器對(duì)外部環(huán)境的輻射釋放功率;有暴曬下,外壁面發(fā)射率同時(shí)影響釋放功率和對(duì)太陽(yáng)輻射功率的吸收功率,但作用效果相反,因此,無(wú)法定性給出外壁面發(fā)射率和容器各部位溫度的關(guān)系。
為定量分析外壁面發(fā)射率對(duì)容器傳熱特性的影響,分別在無(wú)暴曬和有暴曬下,選取表2的工況1,2,3,分別設(shè)置外表面發(fā)射率為0.80,0.50,0.30。
表2 DO輻射模型分析工況
3.1.1 無(wú)暴曬下容器外壁面發(fā)射率對(duì)傳熱特性的影響
無(wú)暴曬下,不同外壁面發(fā)射率引起的溫度變化見(jiàn)圖4和表3。當(dāng)外壁面發(fā)射率增加時(shí),外壁面向外部環(huán)境輻射功率將增加,為保證該功率與衰變熱功率一致,外壁面和燃料包殼的溫度將相應(yīng)減小。
圖4 無(wú)暴曬下外壁面發(fā)射率對(duì)容器各部位溫度影響(內(nèi)表面發(fā)射率=0.22,環(huán)境發(fā)射率=1.00)
表3 無(wú)暴曬下不同外壁面發(fā)射率的最大溫度及流速
外壁面發(fā)射率對(duì)外部環(huán)境空氣自然對(duì)流速度的影響見(jiàn)圖5。外部空氣受翅片的阻礙作用而流速較低,最高流速位置出現(xiàn)在筒體頂部的流動(dòng)分離位置。當(dāng)外壁面發(fā)射率增加時(shí),由于外壁面溫度降低,導(dǎo)致外部空氣流速也降低。
圖5 無(wú)暴曬下外壁面發(fā)射率對(duì)空氣流速的影響(內(nèi)表面發(fā)射率=0.22,環(huán)境發(fā)射率=1.00)
無(wú)暴曬下,不同外壁面發(fā)射率下傳熱功率如表4所示。當(dāng)外壁面發(fā)射率大于0.50時(shí),容器向外傳熱方式中輻射占主導(dǎo);當(dāng)外壁面發(fā)射率為0.30時(shí),輻射功率顯著降低,傳熱方式以對(duì)流為主。
表4 無(wú)暴曬下不同外壁面發(fā)射率的傳熱功率
3.1.2 有暴曬下容器外壁面發(fā)射率對(duì)傳熱特性的影響
發(fā)射率越高,容器對(duì)外散熱功率越高,但同時(shí)吸收太陽(yáng)輻射功率也越高,二者又相互影響,因此有必要研究二者的相互關(guān)系。有暴曬下外壁面發(fā)射率對(duì)容器各部位溫度影響如圖6,7所示。
分別對(duì)比圖4和圖6、圖5和圖7,相比無(wú)暴曬工況,考慮暴曬后,由于衰變熱疊加上太陽(yáng)暴曬,使得整體熱源功率變大,因此容器各部位溫度及外部空氣流速都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。容器外壁面發(fā)射率從0.30增加至0.80,無(wú)太陽(yáng)暴曬工況的燃料包殼最高溫度變化幅度是有太陽(yáng)暴曬工況的3.51倍。
圖6 有暴曬下外壁面發(fā)射率對(duì)容器各部位溫度的影響(內(nèi)表面發(fā)射率=0.22,環(huán)境發(fā)射率=1.00)
圖7 有暴曬下外壁面發(fā)射率對(duì)空氣流速的影響(內(nèi)表面發(fā)射率=0.22,環(huán)境發(fā)射率=1.00)
綜合圖4和圖6的結(jié)果,針對(duì)燃料組件(fuel)、內(nèi)部格架(grid)、容器側(cè)表面(wall1)、容器頂面(wall2)的溫度,比較含太陽(yáng)暴曬(Y)和不含太陽(yáng)暴曬(N)工況下最高溫度隨外壁面發(fā)射率的變化規(guī)律,如圖8所示。不同工況的計(jì)算結(jié)果都表明,外壁面發(fā)射率越高,容器各部位的溫度越低,但影響程度不同。有太陽(yáng)暴曬工況的發(fā)射率對(duì)容器各部位溫度影響程度遠(yuǎn)低于無(wú)太陽(yáng)暴曬工況。因此,通過(guò)增加外壁面發(fā)射率的方式,僅可有效降低無(wú)暴曬工況的容器各部位溫度,但無(wú)法有效地降低有暴曬工況的容器各部位溫度。
圖8 不同工況下不同部件最高溫度隨外壁面發(fā)射率的變化曲線(xiàn)
表5列出了有暴曬下的傳熱功率??梢钥闯觯?dāng)外壁面發(fā)射率增加時(shí),總功率和總輻射功率明顯增加,總對(duì)流功率變化不大。同時(shí),當(dāng)外壁面發(fā)射率從0.3增加至0.8時(shí),總功率增加了1.25倍,而輻射功率增加了1.68倍。輻射功率增幅大于總功率增幅,說(shuō)明了雖然外壁面發(fā)射率的增加可使太陽(yáng)輻射能量增加,但同時(shí)也使輻射功率增加得更明顯。
表5 有暴曬下不同外壁面發(fā)射率的傳熱功率及相對(duì)變化
容器內(nèi)部除固體間緊密貼合的壁面外,還存在接觸氦氣的固體壁面,需考慮其輻射傳熱。為論證內(nèi)部壁面發(fā)射率對(duì)傳熱的影響,比較了有太陽(yáng)暴曬工況下,內(nèi)部壁面發(fā)射率設(shè)置為0.22,0.80,1.00時(shí)的溫度分布,如圖6(a)和圖9所示。
(a)ε=0.80
容器內(nèi)部壁面發(fā)射率從0.22增加至0.90,燃料包殼最高溫度僅降低約2 ℃。由此可知,容器內(nèi)部壁面發(fā)射率對(duì)容器各部位溫度影響很小。其主要原因是,容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用緊湊布置方式,固體壁面兩側(cè)基本為固體與固體接觸,較少與氦氣接觸的固體壁面,輻射相比其他兩種傳熱機(jī)理的功率占比很小。
為進(jìn)一步論證容器內(nèi)部其他兩種傳熱機(jī)理的相對(duì)關(guān)系,通過(guò)設(shè)置氦氣域?yàn)楣腆w域,將原流體屬性物性參數(shù)修改為固體屬性下的物性參數(shù),從而忽略了容器內(nèi)部對(duì)流和輻射,實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)部?jī)H考慮單一熱傳導(dǎo)的傳熱機(jī)制。
僅考慮熱傳導(dǎo)條件下容器內(nèi)部傳熱效率提高,簡(jiǎn)化傳熱模型的整體溫度較精確模型低3.5 ℃,如圖10所示。說(shuō)明容器內(nèi)部傳熱以熱傳導(dǎo)方式傳遞了絕大部分熱量,而對(duì)流和輻射傳熱方式占總功率比重較小。其原因在于,燃料籃內(nèi)部的氦氣被燃料格架分隔開(kāi),且局部位置溫差驅(qū)動(dòng)力小,不利于在容器內(nèi)部形成穩(wěn)定且高流速的自然循環(huán)流動(dòng),對(duì)流傳熱效果不佳。采用不考慮容器內(nèi)部對(duì)流和輻射的方式,雖然對(duì)容器各部位溫度影響不大,但該方式強(qiáng)化了內(nèi)部傳熱,使得計(jì)算假設(shè)可能不夠保守。
(a)考慮傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射
乏燃料容器采用集中存放形式貯存,輻射散熱不可避免被外部環(huán)境反射,實(shí)際外部環(huán)境的發(fā)射率應(yīng)小于1,分析計(jì)算中應(yīng)予以考慮實(shí)際存放方式對(duì)外部環(huán)境發(fā)射率的影響。
為研究外部環(huán)境可能對(duì)容器輻射能量產(chǎn)生反射作用,設(shè)置了不同外部環(huán)境發(fā)射率(1.00,0.80,0.50),對(duì)比不同外部環(huán)境發(fā)射率下容器各部位溫度分布,如圖6(a)和圖11所示??梢钥闯?,當(dāng)外部環(huán)境發(fā)射率越高,容器的整體溫度越低。這歸因于當(dāng)外部環(huán)境發(fā)射率小于1,則有一部分容器輻射的能量受到外部環(huán)境的反射,容器往外輻射傳熱功率將會(huì)降低。
(a)ε=0.80
容器外部空間側(cè)表面承受容器側(cè)面和頂面的輻射傳熱,基于代數(shù)分析法和漫灰表面的輻射假設(shè)[12],計(jì)算含翅片結(jié)構(gòu)容器外壁面對(duì)外部環(huán)境的輻射功率。通過(guò)對(duì)比CFD輻射功率和計(jì)算功率,驗(yàn)證DO模型CFD計(jì)算結(jié)果。對(duì)于含翅片的乏燃料貯運(yùn)容器外壁面,首先基于代數(shù)分析法得到無(wú)翅片外壁面輻射功率,并假設(shè)翅片對(duì)表面積的增加倍數(shù)為η,可得帶翅片外壁面的角系數(shù)和輻射功率。
(3)
(4)
(5)
(6)
為驗(yàn)證DO輻射模型的適用性,以外部空氣域側(cè)面為對(duì)象,基于代數(shù)分析法和漫灰表面模型,根據(jù)式(2)計(jì)算翅片側(cè)面以及頂面向空氣域側(cè)面輻射的傳熱功率。選取的工況載荷如表2所示。
將采用式(2)計(jì)算含翅片外壁面輻射功率與CFD結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表6),發(fā)現(xiàn)輻射功率隨發(fā)射率的變化趨勢(shì)基本一致,二者數(shù)值相差在10%以?xún)?nèi)。計(jì)算結(jié)果誤差主要來(lái)源于公式法無(wú)法考慮壁面溫度不均勻性,且簡(jiǎn)化采用了代數(shù)分析法推導(dǎo)有翅片結(jié)構(gòu)的角系數(shù),可能引入一定誤差。
表6 不同工況下DO輻射模型驗(yàn)證結(jié)果
同時(shí)由表6可以看出,容器外壁面發(fā)射率越大,對(duì)外部環(huán)境的輻射功率越大;外部環(huán)境發(fā)射率越大,對(duì)外部環(huán)境的輻射功率也越大;容器側(cè)面溫度遠(yuǎn)高于容器頂面溫度,表明容器側(cè)面是輻射能量的主要來(lái)源。
(1)容器外壁面發(fā)射率從0.30增加至0.80,無(wú)太陽(yáng)暴曬工況的燃料包殼最高溫度變化幅度是有太陽(yáng)暴曬工況的3.51倍。容器內(nèi)部壁面發(fā)射率從0.22增加至0.90,燃料包殼最高溫度僅降低約2 ℃。容器外部環(huán)境的發(fā)射率對(duì)容器傳熱主導(dǎo)方式的影響明顯。
(2)對(duì)于熱傳導(dǎo)占絕對(duì)主導(dǎo)的容器內(nèi)部環(huán)境,建議優(yōu)先選取熱導(dǎo)率高的燃料籃結(jié)構(gòu),其他熱參數(shù)如發(fā)射率、內(nèi)部氦氣壓力等非關(guān)鍵參數(shù)影響較小。但需要注意避免中子屏蔽材料、容器外表面涂漆的溫度超過(guò)功能失效溫度限值。對(duì)于輻射和對(duì)流共同主導(dǎo)的容器外部環(huán)境,提高容器外表面的發(fā)射率和外部環(huán)境的發(fā)射率可有效降低容器的整體溫度。
(3)結(jié)合代數(shù)分析法和漫灰表面模型對(duì)含翅片結(jié)構(gòu)CFD輻射功率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,公式計(jì)算結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果吻合,誤差小于10%。
該研究成果可在輻射傳熱方面對(duì)乏燃料貯運(yùn)容器的熱工分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。