积鼎核工业多相流仿真：堵流工况下棒束子通道流场实验与模拟

核电作为一种高效的清洁能源受到了能源行业的青睐，并逐渐成为一种重要的能源生产方式。压力容器中的堆芯是热能产生的部位，也是反应堆的关键部件之一，其热工水力特性直接关系到燃料元件的冷却效率及安全问题，因此重点研究方向之一。在极端情况下，燃料组件子通道可能因为棒束肿胀、异物堆积等发生通道堵流现象，发生传热恶化，甚至超温、堆芯融化等危险工况，因此有必要开展相关研究。采用实验与数值模拟手段测量、模拟堵流情况下的子通道流场分布、获取子通道流量分布特性可以充分发挥实验与模拟优势。本文利用激光粒子测速方法测量了5×5棒束堵塞情况下子通道的流场分布特性以及子通道流量分布特性，并基于国内首款核工业多质多相流体动力学计算分析软件“麒麟”软件和商用CFD软件进行了堵流现象的数值模拟，结合实验结果分析棒束子通道堵流特性。

1 实验装置简介
本次研究首先采用可视化试验方法对堵流情况下5×5棒束组件子通道流场进行了测量，实验回路如图1所示，主要包括实验本体、水箱、主泵、流量计、阀门和测控仪表等。

图1 棒束组件内流场分布试验回路流程图

图2a所示为实验本体结构示意图，本体主体为四面可视的矩形通道结构，进出口有稳流装置，内部放置5×5棒束组件。组件由支撑段和测量段组成，支撑段为硬质材料，测量段为薄壁FEP管，以最大程度接近水的折射率。堵流件安装在FEP管外，堵流区域如图2c所示为3×3棒束区域，中间通道堵流比例最大，5×5棒束截面的总堵流比例为72%。堵流件安装位置距入口大于40D，距出口距离也在20D以上，以最大程度减弱入口和出口效应。测量区域约为20D。

图2 实验本体及棒束组件结构示意图

如图2c所示，棒束组件由5×5棒组成，测量段为外径9.5mm，中心距为12.6mm的FEP管。PIV面激光以XZ平面照射测量区域，高速相机则沿Y方向拍摄。采用跨帧模式进行图像采集，然后使用专业软件进行速度场计算，即获得了测量区域的流场分布。相机拍摄帧率为15Hz,每次针对同一工况拍摄200组以上照片，然后求取平均流场。

2 数值模拟方法
数值模拟基于核工业多质多相流体动力学计算分析软件“麒麟”进行，该软件采用浸入界面方法进行网格划分，基于NS方程求解流场、温度场、压力场等流体力学问题。该软件支持常见CAD软件三维几何模型的导入然后进行IST方法的笛卡尔网格划分，之后进行边界条件设置、模型设置、求解设置等，最后进行迭代求解和后处理。该流场计算软件可以基于Windows和Linux系统进行，二者求解方式没有任何区别，本次求解基于Windows系统进行。
图3所示为本次模拟的三维几何和网格划分示意图。图3a所示为浸入界面法的基本原理，即在网格划分时不区分流体与固体域，使用流固界面符号距离函数Φs来数值地区分流体与固体域，在求解NS方程时，通过引入Heaviside函数

自动地区别流体与固体域。该函数在流体内等于1，在固体内等于0，在界面上等于0.5。带堵流件的棒束几何由三维CAD软件根据实验装置尺寸测量结果建立，然后导入“麒麟”软件中进行网格划分，图3b固体域即是绘制的棒束三维几何。划分网格时直接根据试验装置矩形流道大小绘制矩形流体域，即图3c中背景网格，这样三维几何就“浸没”在背景网格中（流体域）。之后基于重叠网格技术在堵流件区域添加加密的子网格对堵流块进行加密，以提高堵流件区域流场解析精度。本次模拟主要针对堵流件上下游总计约9D的范围，为了避免入口效应，也绘制了堵流件上游10D的网格。网格无关性分析表明使用总量约50万的网格可以实现网格无关。

图3 采用浸入界面法时网格划分示意图

本次模拟针对实验工况，因此所涉及的模型为冷态流动，模拟为稳态模拟，主要求解X、Y、Z三个方向的速度以及压力。模拟边界条件为流量入口，流量、压力、温度根据实验测量结果设置，模拟中迭代计算到残差小于1e-5或者不再减小为止。

3 结果及分析
3.1 流场测量结果
本次实验中维持进口流量稳定在约14t/h，对应的水平截面平均质量流速约1566 kg/m2/s。实验中测量了堵流件上下游约7D范围内棒束中心竖直截面、子通道竖直中心截面的流场。测量得到的典型竖直截面流场图如所示，图中示出了C1和C2通道在不安装和安装堵流件时的上下游流场测量结果。在没有堵流件的正常状态下，堵流件所在位置上下游流场基本都以本子通道的竖直流动为主，流场未发生偏斜，不同子通道流速分布相似。在堵流情况下，C1和C2都出现了流场偏斜和流速不均的情况。对照图1可知C1子通道竖直截面仅有一半流场被堵流件遮挡，因此可见其流场所受影响较小，仅堵块下游少量流场受影响。对于C2，被堵塞的通道区域较宽，因此可以发现横向位置1和2所在区域堵流件下游出现了流速很低的区域，未堵塞子通道流速则出现明显增大，表明堵塞对流场影响很大。

图4 不同状态下堵流件上下游竖直截面流场典型结果

为了直观地分析堵流对子通道流速的影响，这里使用速度不均匀指数来量化。该指数计算为求某竖直截面高度Z处绝对速度值与截面平均速度的均方根。图5所示为根据实验测量结果得到的通道C1、C2、C3、C4在不同高度处的速度不均匀指数，其中曲线所在位置为堵流件，轴向位置0为堵流件轴向中心位置。可以发现通道C1和C4的速度不均匀指数变化较小，仅在虚线所示堵流件区域出现了较小的增加，并很快恢复正常，表明其受堵流件的影响较小，冷却剂可以正常流动。而通道C2和C3速度不均匀指数在堵流件处出现了较大的增加，而后缓慢减小；并且速度不均匀指数在堵流件上游1D处已经开始增加，表明其对流场的影响在上游1D处已经开始。虽然在堵流件下游约3D以后速度不均匀指数下降较缓，但仍未恢复到堵流前水平。上述结果表明堵流件对流速产生了较大影响，实验结果表明在堵流通道，在截面平均质量流速约1500kg/m2/s下，堵流通道下游2D距离处内堵塞子通道平均流速仅为截面平均流速的60%；5D距离处恢复到截面平均流速约85%。

图5 速度不均匀指数随Z变化曲线

3.2 模拟结果及分析
使用前述数值模拟方法进行数值迭代求解可以得到5×5棒在堵流情况下的模拟结果，本次研究也使用商业CFD软件进行了模拟，二者网格总数、湍流模型、边界条件等相同，以对比数值分析软件与商业CFD软件。图6所示为C1、C2竖直截面的流场图，图中灰色框部分为堵流件所在位置。对于C1，子通道堵塞比例为10%~20%，小于C2通道的20~40%，因此流场受到的影响较小。C2通道在堵流件区域因子通道堵塞出现了明显的流速降低，在堵流件下游形成了低速区，这与试验测量结果吻合。比较“麒麟”软件和商用CFD软件结果，可以发现二者流场分布十分接近。

图6 模拟所得堵流情况下竖直截面流场典型结果

为了更加直观地对比“麒麟”软件和商用CFD软件差别，提取了堵流件下游不同距离处试验与模拟结果绘制成图7所示曲线图。图中分别对比了堵流件下游0.5D和2D距离处实验与模拟结果，可以看出在两种距离处实验与模拟值的匹配性很好，同时也可以看出“麒麟”软件的模拟结果与商用CFD软件的结果十分接近，表明其流场模拟能力与商用CFD软件接近。

图8计算了模拟结果与实验结果的均方根误差，图中横坐标表示下游计算位置与堵流件位置的距离。可以看出，在堵流件2D范围内模拟值与实验值的均方根误差比更远距离的明显大，表明模拟与试验偏差比其他区域大，这可能是采用RANS湍流模型的导致堵流件紧邻流场的强湍流区域解析能力不足导致的。整体而言，“麒麟”软件的均方根误与商业CFD软件在走势和值上十分接近。

图8 模拟均方根误差对比图

4结论

本文基于棒束子通道流场可视化实验装置和5×5棒束子通道堵流实验本体获得了子通道堵流72%比例下的上下游流场分布，并使用“麒麟”软件对堵流情况下的子通道流场进行了数值模拟分析。本文获得的主要结论为：子通道堵流约72%情况下，堵塞子通道上游约1D范围流场开始受到明显影响；堵流通道下游2D距离处内堵塞子通道平均流速仅为截面平均流速的60%；5D距离处恢复到截面平均流速约85%。基于浸入界面方法的“麒麟”软件能够对堵流情况下的棒束子通道流场进行合理模拟，其模拟结果与商用CFD软件相当。

“麒麟KILI”是中国核动力研究设计院研发的国内首款核工业多质多相流体动力学计算分析软件，该软件填补了国内核工业自主研发计算流体动力学软件的空白，实现了关键软件技术的自主可控。上海积鼎信息科技有限公司为麒麟KILI软件开发唯一合作单位。

审核编辑 黄宇