十字焊點對定位格架水力特性影響的數值研究

盧志威

(中廣核研究院有限公司 核燃料研發設計中心，廣東深圳518026)

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十字焊點對定位格架水力特性影響的數值研究

盧志威

(中廣核研究院有限公司 核燃料研發設計中心，廣東深圳518026)

作為定位格架重要的結構特征之一，其內條帶間的十字焊點的形狀與定位格架的強度及水力特性密切相關。為深入研究該十字焊點形狀對定位格架水力特性的影響規律，以5×5燃料組件定位格架為研究對象，采用ANSYS CFX12.1對燃料棒束通道內的流動現象進行數值模擬研究，得到了通道內的流場分布。研究結果表明：增加十字焊點直徑能削弱格架下游近格架區域子通道內冷卻劑的渦流強度以及子通道間的攪混強度，同時增強格架下游遠格架區域子通道內的渦流強度以及子通道間攪混強度；增加十字焊點直徑對格架下游子通道內的攪混強度影響較??；定位格架的形狀阻力系數隨十字焊點直徑的增大而增加。以上結果說明采用較大直徑的十字焊點可使定位格架下游區域的換熱能力趨于均衡，從而使堆芯溫度分布更加均勻，但同時也會產生較大的壓力損失。

定位格架；十字焊點；水力特性；數值模擬

燃料組件作為壓水堆的關鍵部件，其熱工-水力特性及機械特性對反應堆的設計及安全運行起著至關重要的作用。在燃料組件中，定位格架不僅有固定和夾持燃料棒的作用，而且能夠增強冷卻劑的攪混效果，從而增強燃料棒與冷卻劑之間的傳熱能力，有效降低燃料運行溫度，增加反應堆運行安全裕量。同時，在事故工況下，格架所承受的橫向沖擊載荷必須低于格架屈曲強度，以保證燃料組件的可冷卻形狀。Wang Tao等人[1, 2]的研究表明，十字焊點的尺寸會影響格架的強度，因此適當增加格架十字焊點的尺寸及熔深成為增強定位格架屈曲強度的設計手段之一，而十字焊點的尺寸及形狀變化，必然會對定位格架的熱工-水力特性產生一定影響。因此有必要針對該結構特征及其影響展開分析論證，從而更好地指導定位格架設計。

當前國內外針對定位格架下游流場的研究集中于攪混翼、條帶、剛凸及彈簧等大尺寸結構特征，而關于焊點形狀對格架流場的影響研究較少。實際上，十字焊點正好位于成對攪混翼中間空隙流道處，經十字焊點導向后的冷卻劑會與攪混翼導流相互影響，進而對流場產生影響。相對于攪混翼、彈簧等結構特征，十字焊點對定位格架的水力特性影響相對較小，故為能夠深入細致地分析該特征產生的水力影響，相比較粗糙的試驗手段，采用目前已經成熟運用于定位格架熱工-水力性能評估的計算流體力學(CFD)方法更佳。國內外相關研究人員通過與試驗結果的對比研究表明，CFD方法可以準確計算并預測定位格架棒束通道內單相水的三維流場[3，4]。國內相關研究者采用CFD方法對5×5定位格架棒束通道的三維流場特征進行了深入研究[5，6]，國外學者K.Podila等[7，8]也采用相同的方法對帶格架的棒束通道的流動傳熱特性進行了研究，并與試驗數據進行了對比驗證。

為深入研究十字焊點的形狀對定位格架水力特性的影響規律，本文將以包含具有不同形狀十字焊點的5×5定位格架的棒束通道為研究對象，采用商業軟件ANSYS CFX12.1對其通道內的三維流場特征進行詳細分析。

1 數值模擬

1.1 幾何模型

本文選取的研究對象從壓水堆(PWR)使用的成熟燃料組件中截取。由于定位格架內部的彈簧剛凸對格架下游橫向速度只會適當強化但不會改變橫向速度的分布形式[9]，同時為單純地準確評估相比彈簧剛凸具有較小尺度的焊點對格架水力特性的影響，排除彈簧剛凸形成的無規律紊流對本研究的噪聲影響，本文對格架條帶進行了簡化，不考慮彈簧與剛凸。

最終建立的5×5定位格架幾何外形如圖1 所示，該格架包含25個蛋簍型柵元。柵元節距為12.6mm，每個柵元放置一個直徑為9.5mm的燃料棒，定位格架外圍尺寸為64.4mm×64.4mm。流體域橫截面的尺寸如圖中所示，外側的流道壁面距定位格架的距離為0.5mm。

圖1 5×5定位格架Fig.1 5×5 spacer grid

圖2給出了計算流體域的縱向尺寸，入口位置位于定位格架下表面以下90mm，而出口位置則位于定位格架上表面以上400mm處。為方便后期數據處理，此處確定定位格架內條帶上邊緣的軸向高度為0。

圖2 流體域參數Fig.2 Computational domain parameter

結合實際定位格架十字點焊工藝[2]，十字焊點的外形幾何建模如圖3所示。為研究該焊點形狀對定位格架水力特性的影響，本文分別針對具有不同焊點高度和焊點直徑的定位格架開展模擬計算分析，十字焊點的高度及焊點直徑結構參數如圖3所示，表1詳細列出了不同算例中以上參數的具體數值。

圖3 流體域參數Fig.3 Computational domain parameter

1.2 網格劃分

為了能夠捕捉到定位格架部分的細節結構特征，在定位格架計算區域采用非結構化四面體網格，而在定位格架的上游和下游采用拉伸棱柱網格，同時在燃料棒、定位格架及流道壁面生成四層附面層網格。經網格無關性驗證，最終的網格數量為3000萬左右，詳細網格數量分布如表2所示。圖4給出了燃料棒束附近的網格劃分情況。

表1 十字焊點尺寸

表2 網格分布

圖4 網格細節Fig.4 Mesh detail(a) 定位格架表面; (b) 附面層

1.3 邊界條件及湍流模型

各算例基于Re(雷諾數)60000工況開展計算，入口速度為4.547m/s，參考壓力設置為0.1MPa，燃料棒、定位格架及流道壁面采用無滑移壁面，其中燃料棒等效粗糙度設置為 0.5×10-3mm。

定位格架下游會產生復雜的流場，因此選擇合適的湍流模型至關重要。SSTk-ω湍流模型已被證明可以成功預測棒束流場形態[10]，故本文將采用SSTk-ω湍流模型開展計算。

2 結果處理

2.1 模型驗證

為驗證本文所述CFD計算模型的準確性，基于Elvis E.Dominguez-Ontiveros等人[11]的試驗研究，針對其中的雷諾數為16300工況開展驗證計算。

試驗中采用的5×5定位格架如圖5所示，其中彈簧、剛凸與燃料棒為線接觸，該結構特征會對網格的劃分帶來困難，容易形成低質量網格并影響計算精度，故需在網格劃分前對幾何模型做一定簡化和處理，使燃料棒與彈簧和剛凸的接觸由線接觸轉變為面接觸，處理結果如圖6所示。網格劃分方式仍采用1.2節所述方法。

圖5 試驗5×5格架Fig.5 5×5 spacer grid for test

圖6 模型簡化Fig.6 Simplification of model

驗證數據的提取截面位置如圖7所示，截面在流體流動方向的位置為從格架條帶上邊緣開始向上延伸52.5mm，并在X軸的不同位置分別求得整個截面在流體流動方向上橫向速度的平均值。

圖7 試驗數據提取截面位置Fig.7 Position of section for test data

計算值與試驗值的對比如圖8所示，從圖中可以看出，模擬計算值與試驗值的大部分數值大小分布趨勢基本吻合；但幾個峰值處的速度存在相對較大的差異，原因可能為計算模型對剛凸和彈簧進行了一定程度簡化，且因制造工藝因素可能造成計算模型本身與試驗模型存在一定尺寸差異。

圖8 數據對比Fig.8 Comparison of data(a) A截面數據對比; (b) B截面數據對比

2.2 攪混特性

由于定位格架本身結構復雜，且存在攪混翼對下游流體的強烈攪混作用，使格架下游流體流場變得紊亂，產生一定強度的渦流和叉流。渦流和叉流強度是表征冷卻劑攪混效果及換熱效率的重要指標。相關研究人員采用了不同形式的評價因子量化格架下游的流動特性[12-14]，從而間接評估格架下游燃料棒表面的換熱特性。

本文將采用渦旋因子、渦旋攪混率和橫向流攪混因子量化評價格架流動特性，進而研究并評價十字焊點對格架流動特性的影響規律。取圖1中陰影區域所示的子通道為研究對象計算上述評價因子，并以軸向位置與棒束水力直徑比值為橫坐標繪制該因子的沿程變化趨勢，取如圖2所示的格架上邊緣為軸向零點位置。

2.2.1 子通道內冷卻橫流強度

渦旋因子用于表征子通道內的橫向流動強度，定義為：

(1)

式中：P——燃料棒中心距；

V——垂直于子通道橫截面的水平中心線和垂直中心線的橫向流速；

U——子通道截面平均軸向流速。

渦旋因子FSW的沿程變化趨勢如圖9所示，其中陰影部分代表格架位置。各算例在格架出口位置為最大值，出格架后急速衰減，到3.8Dh處達到極小值；隨后又開始緩慢增加并在8Dh左右達到第二個峰值，隨后開始逐漸緩慢衰減一直到出口位置；15Dh后達到較低水平，格架對子通道內冷卻劑橫向流動的影響趨于消失。

圖9 渦旋因子沿程變化Fig.9 Variation trend of FSW

對比各算例可以看出：在0～8Dh區間內，隨著十字焊點直徑越大，渦旋因子衰減速度變慢，即子通道內的橫向攪混越充分，但影響區域主要集中在較短的2.5Dh到7.5Dh區域內，且影響的幅度較??；在8Dh至出口的區間內，具有最大十字焊點的算例D2.4的渦旋因子相比其他算例稍小，即子通道內橫向攪混強度稍低。以上現象說明增加十字焊點直徑可小幅度增強格架下游子通道內的近格架區域(2.5～7.5Dh)的橫流強度，但同時小幅度減小遠格架區域(10Dh后)的子通道內橫流強度。

縱觀整個格架下游區域，子通道內橫向攪混強度隨十字焊點直徑變化的幅度都很小，故在進行定位格架設計時可不考慮該影響。

2.2.2 子通道內渦流強度

渦旋攪混率用于評價子通道中渦流對流體的攪混強度，其定義為：

(2)

式中：r——子通道流域內各點距子通道中心線的距離；

Vlateral——子通道橫截面上引起渦流的橫向流速；

Ulocal——橫截面上各點的當地軸向速度；

RS——漩渦半徑，定義為從子通道中心線到燃料棒表面的距離；

s——子通道截面面積。

圖10給出了渦旋攪混率SM的沿程變化趨勢。從圖中可以看出，各算例在格架出口位置為最大值，隨后小幅振蕩一次后開始衰減，一直到出口位置。

圖10 渦旋攪混率沿程變化Fig.10 Variation trend of SM

對比各算例可以看出：在格架下游主要影響區域0～20Dh區間內，隨著十字焊點直徑的增加，SM減小，即增加十字焊點直徑會減小子通道內的渦流強度；在20Dh以后至出口的格架弱影響區區間內則呈現相反的規律，即增加十字焊點直徑會增強子通道內的渦流強度。

子通道內因渦流產生的離心力會加速燃料棒表面的氣泡脫落速率，從而增強燃料棒泡核沸騰及傳熱速率，由圖10可知，采用較大的十字焊點直徑可使定位格架整個下游區域的換熱能力向均衡趨勢發展，從而使堆芯內燃料棒的軸向溫度分布更加均勻。

2.2.3 子通道間冷卻劑攪混強度

橫向流攪混因子用于評價子通道間冷卻劑橫向攪混強度，其定義為：

(3)

式中：S——相鄰燃料棒距離；

Vcross——相鄰燃料棒間隙處的橫向流速；

U——子通道截面平均軸向流速。

橫向流攪混因子的沿程變化趨勢如圖11所示。各算例在格架出口為最大值，隨后急速衰減，到2Dh處達到極小值；隨后又開始急速增大并在3Dh達到第二個峰值后開始緩慢衰減一直到出口位置，其中在7Dh～13Dh區間內有緩慢增加的趨勢。對比各算例，FCM隨焊點尺寸的變化規律與SM類似，即增加十字焊點直徑會削弱下游近格架區域(0～20Dh區間)中子通道間冷卻劑橫向攪混強度，而增強下游遠格架區域(20Dh后)中子通道間冷卻劑橫向攪混強度。

子通道間的冷卻劑質量交換可以更好的平衡子通道之間的焓升，由圖11可知，采用較大的十字焊點直徑可使定位格架整個下游區域的子通道間冷卻劑質量交換能力向均衡趨勢發展，從而可使堆芯各高度處的徑向溫度分布更加均勻。

圖11 橫向流攪混因子沿程變化Fig.11 Variation trend of FCM

2.3 流動阻力特性

如式(4)所示，流道的總壓力損失包括形狀阻力壓力損失和摩擦阻力壓力損失[15]。

Δp=Δploc+Δpfr

(4)

式中： Δp——總壓力損失；

Δploc——形狀阻力壓力損失；

Δpfr——摩擦阻力形狀損失。

形狀阻力系數可由式(5)定義[14]:

ξloc=Δploc/(ρv2/2)

(5)

式中：ξloc——形狀阻力系數；

ρ——流體密度；

v——流體平均速度。

針對本文的研究對象，總壓力損失Δp可通過進出口壓力差求得，Δpfr則通過5×5無格架棒束算例求得，然后通過式(4)和式(5)求得各算例格架的形狀阻力系數。

各算例的形狀阻力系數值如圖12所示。從圖中可以得出，隨著焊點尺寸的增加，形狀阻力系數增大，當十字焊點直徑由1.2mm增加一倍到2.4mm時，形狀阻力系數增加7.6%。該現象可解釋為十字焊點加強了格架下游局部湍流并增強了冷卻劑動量交換及能量耗散，進而導致壓力損失增加。

圖12 形狀阻力系數變化趨勢Fig.12 Variation trend of local resistance coefficient

3 結論

采用ANSYS CFX12.1對含有不同尺寸十字焊點的5×5定位格架棒束進行了水力特性研究。研究表明：

(1) 在格架下游近格架區間(2.5～7.5Dh)內，十字焊點直徑越大，渦旋因子越大，即子通道內的橫向攪混越充分；同時增加十字焊點直徑會減小遠格架區域(10Dh后)的子通道內橫流強度；但以上影響幅度很??；

(2) 在格架下游主要影響區域0～20Dh區間內，隨著十字焊點直徑的增加，子通道內的渦流強度及子通道間冷卻劑橫向攪混強度減??；在20Dh以后至出口的格架弱影響區區間內則呈現相反的規律；說明采用較大直徑的十字焊點可使定位格架下游區域的換熱能力趨于均衡，從而使堆芯溫度分布更加均勻；

(3) 隨著十字焊點直徑的增大，定位格架形狀阻力系數增加；當十字焊點直徑由1.2mm增加一倍到2.4mm時，形狀阻力系數增加7.6%；

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Numerical Investigation on Hydraulic Performance of Spacer Grid with Cross Weld

LU Zhi-wei

(Nuclear Fuel Research and Development Center, China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 102413, China)

As an important structural parameter of spacer grid, the shape of the cross weld between inner straps is closely related to the strength and hydraulic characteristics of the spacer grid.In order to deeply study the influence of the shape of the cross weld on the hydraulic characteristics of the spacer grid, numerical investigation on the flow field of the rod bundle using ANSYS CFX12.1 is conducted taking the 5×5 spacer grid as research object.The numerical result show that increasing the diameter of the cross weld can reduce swirling strength in the subchannels and the coolant exchange strength between subchannels nearby the grid in the grid downstream area, and enhance them far away from grid in the grid downstream area；Increasing the diameter of the cross weld only has a slight effect on the mixing strength in subchannels in the grid downstream area.Local resistance coefficient of the spacer grid increases as the diameter of the cross weld increases.It can be concluded that heat transfer performance in the downstream region of the spacer grid tend to be balanced by using larger diameter cross weld, thus the temperature distribution of the core is more uniform; At the same time, greater pressure loss will be produced.

Spacer grid; Cross weld; Hydraulic characteristics; Numerical investigation

2016-10-20

國家重大專項資助項目(2015ZX06004-001)

盧志威(1985-)，男，內蒙古呼和浩特人，工程師，碩士研究生，現主要從事核燃料設計方面研究

TL33

A

0258-0918(2017)03-0487-08