大栅板联箱流量分配的优化设计

王予烨; 张东辉; 周志伟; 冯预恒; 刘光耀

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2408424

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (2) :623-630 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2408424

原子能技术

大栅板联箱流量分配的优化设计

王予烨 ¹ ,
张东辉 ² ,
周志伟 ¹ ,
冯预恒 ¹ ,
刘光耀 ¹

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Design Optimization of Flow Distribution for Large Grid-baffled Header

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摘要

钠冷快堆的堆芯流量分配直接影响着安全性。大栅板联箱是钠冷快堆保证堆芯流量分配的关键部件,其内部具有复杂的结构。现有的大栅板联箱设计可能导致其内部流量分布的不均匀性,进而影响堆芯的流量和压力分布。为保证大栅板联箱内部流量分布的均匀性,有必要针对大栅板联箱流量分配设计开展优化研究。开发了一种新型大栅板联箱流量分配结构,在原始结构基础上增加导流套筒。采用三维CFD软件对大栅板联箱原始结构和改进结构进行数值仿真,结果表明:原始结构下入口的不对称分布导致出口流量分配不均匀,在经过主管道进入大栅板联箱区域的高速钠液经过新增的导流套筒后其流量分布均匀性明显提升,进一步提高了池式钠冷快堆的安全性。但造成了大栅板联箱内流阻增大,需要考虑主泵选型问题。研究结果为池式钠冷快堆大栅板联箱结构设计提供关键数值参考。

Abstract

Flow distribution of reactor core directly affects the safety of SFR(sodium-cooled fast reactor). Largegrid-baffled header is a key component in sodium-cooled fast reactor to ensure the flow distribution of core, in which equipped with some complex structures. The existing largegrid-baffled header design may cause the non-uniformity of its internal flow distribution which will further influence the flow and pressure distribution of the core. In order to ensure the uniformity of internal flow distribution, it is necessary to investigate the flow distribution optimization design of largegrid-baffled header. An innovative flow distribution structure was developed with adding the diversion sleeve in largegrid-baffled header. Three-dimensional numerical simulations on initial and optimized structure of largegrid-baffled header were carried out by using CFD software. The results show that: the asymmetric distribution of diagrid inlet leads to uneven flow distribution at the outlet under the initial structure condition. The flow distribution uniformity of the high-speed sodium liquid entering the largegrid-baffled header header area through the main pipeline is significantly improved after passing through the low porosity diversion sleeve. The safety of SFR is further improved. It leads to the increase of flow resistance in the largegrid-baffled header, and the selection of the main pump needs to be considered. Research provides the important numerical reference for the design of largegrid-baffled header in SFR.

Graphical abstract

关键词

流量分配 / 大栅板联箱 / 优化设计 / 数值模拟

Key words

flow distribution / largegrid-baffled header / optimization design / numerical simulation

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王予烨, 张东辉, 周志伟, 冯预恒, 刘光耀. 大栅板联箱流量分配的优化设计[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(2): 623-630 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2408424

WANG Yu-ye, ZHANG Dong-hui, ZHOU Zhi-wei, FENG Yu-heng, LIU Guang-yao. Design Optimization of Flow Distribution for Large Grid-baffled Header[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(2): 623-630 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2408424

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不同于普通压水堆,钠冷快堆堆芯功率密度较高,各类组件所处位置不同,其发热率差别很大,因此快堆堆芯的流量分配目标不是使所有组件流量分配尽可能均匀(区别于压水堆),而是各个组件实际分配的流量与其发热功率相匹配。目前钠冷快堆采用闭式通道(即有组件盒壁)^[1],以保证冷却剂高精度流量分配的实施。因此堆芯内的流量分配直接影响着钠冷快堆的安全性。目前正在研制的大型快堆的栅板联箱与“中国实验快堆”相似,其不仅是堆芯的重要支承,还是堆芯钠冷却剂的一级流量分配装置,大栅板联箱内部结构复杂,对主管道流入大栅板联箱的钠液进行整流,进而对堆芯组件的流量分配产生重要影响,作为一级流量分配装置,大栅板联箱内部流场应尽量保持均匀。此外其内部还存在圆柱形的套筒结构,在钠液流动过程中会形成局部的压力不稳定,引起结构部件的振动,从而影响反应堆安全。

目前针对钠冷快堆的流量分配研究方式主要有两类,即软件数值模拟和水力试验。Sutton^[2]对汉福德快通量试验装置与增殖示范堆进行了试验研究,通过1/4水试验对堆芯吊篮进行了流动特性的研究分析。Dixit^[3]对快中子增殖试验反应堆的栅板联箱进行了研究,采用从下方周向流入的方式对限流装置进行了试验验证。此外,文献[4-5]对印度快中子增殖试验反应堆的大栅板联箱还采用了PHOENICS软件进行了数值分析,对于密集的多孔套筒区域采用多孔介质模型替代,并通过1∶3的缩比模型及空气介质进行了验证。

高剑锋^[6]采用三维CFD程序对中国实验快堆大栅板联箱的满功率稳态工况进行了热工水力学分析,同时也对单侧压力管的双端断裂事故过程中栅板联箱的流动状态进行了研究。冯预恒等^[7-8]和李淞等^[9-10]利用FLUENT软件对大小栅板联箱及节流件、燃料组件的管脚进行了热工水力分析。冯预恒等^[11]利用CFX软件计算得到了中国实验快堆大栅板联箱内的压力速度分布。林超等^[12]对钠冷快堆小栅板联箱压降对组件流量分配的影响进行了研究。

中国正在研制的大型快堆的工质流量和大栅板联箱的结构相较于中国实验快堆都有很大的变化,这导致大栅板联箱内部流场存在明显的不均匀性,各出口的流量与压力分布的相对偏差较大,从调研结果来看,在钠冷快堆领域,国内学者多是对小栅板联箱、组件管脚等对流量分配的影响进行研究,还未对大型池式钠冷快堆的大栅板联箱流量分配均匀性展开研究。

因此,为了提高大栅板联箱流量分配均匀性,保证堆芯安全,现开发一种新型大栅板联箱流量分配结构,在原始结构基础上增加导流套筒,采用三维CFD软件对大栅板联箱原始结构和增加孔板导流套筒的改进结构进行数值仿真,研究套筒对流量分配均匀性的影响,为大型池式钠冷快堆大栅板联箱结构设计提供关键数值参考。

1 几何建模及简化

国内一大型快堆大栅板联箱的结构为:大栅板联箱主体由中部筒体与上、下盖板焊接而成。中部筒体高度约为1 900 mm,内径约为4 500 mm,中部筒体侧面开有4个与压力管道焊接的圆孔。筒体内设有115根圆柱形套筒(Ⅰ型套筒),安装在上下盖板上,在套筒出口处周向均布6个足球场形入口,结构如图1所示。大栅板联箱上板顶部安装各类小栅板联箱。在大栅板联箱底板上开孔并安置节流件,用于控制主容器冷却系统内的流量。此外在中部筒体侧面安装接管,为电离室提供冷却流量。大栅板联箱整体几何模型如图2所示。

由于大栅板联箱结构复杂,包含大量的螺栓、垫片、圆角、倒角等,在进行仿真过程中,对几何模型进行了简化处理,忽略了Ⅱ型套筒、管脚漏流等微小结构对于整体流动状态的影响,将内部圆柱形套筒与小栅板联箱底部圆柱形管脚形成的环形作为大栅板联箱流域出口,如图3所示。图3(b)为增加孔板导流套筒改进模型,导流套筒孔隙率为36%。

内部导流套筒详细设计参数如图4所示,在4个主管道出口正对区域开孔为30 mm,其余区域开孔为40 mm,为方便安装,在导流套筒顶部做90°过渡用于焊接到大栅板联箱的侧壁上。

2 边界条件及网格划分

2.1 网格划分

大栅板联箱整体分为两个区域,进行分别建模。外部主管道区域除与大栅板联箱交接区域外,结构较简单。因此,进行外部管道区域建模时将对于大栅板联箱交接区域进行网格适当加密和网格节点匹配技术,在管道壁面进行网格加密和边界层网格划分,这样可以充分考虑到钠液壁面滑移对流场的影响,原始模型网格量约4 000万,增加导流套筒后的改进模型网格量约为8 000万,网格最大扭曲率在0.5以下,并严格控制导流口套筒孔板的网格尺寸。网格如图5所示。

2.2 网格敏感性分析

划分网格不能完全贴合原始几何结构,只能将网格与几何结构无限逼近,这将导致计算结果与真实结果存在一定的差异,为保证计算精度,将误差控制在可接受范围内,进行网格敏感性分析是在分析之前必须要做的工作。对于大栅板联箱套筒的局部尺寸较小的结构,需要考虑局部细化。因此分别对全局网格密度与该区域局部网格密度进行敏感性分析。

2.2.1 原始结构网格敏感性分析

针对原始模型选取了6组网格进行测试,当网格量达到4 000万时,进出口压差在15.7 kPa,几乎保持不变,如图6所示,并根据原始几何模型的网格数量确定壁面控制参数,用于改进模型的网格划分。

2.2.2 改进结构网格敏感性分析

针对改进模型选取了6组网格进行测试,当网格量达到8 000万时,进出口压差再19.14 kPa几乎保持不变,如图7所示,在进行改进结构分析时采用此网格量进行分析。

2.2.3 局部区域网格敏感性分析

在完成整体模型的网格敏感性分析后,根据大栅板联箱的流动特点选取7根套筒的区域(图8)进行了网格敏感性分析,控制不同的网格控制因子,生成不同尺度的网格,对其压降进行了响应的分析。当网格量达到230万左右时压降变化区域平稳,因此在进行网格建模时网格尺寸按照网格量230万时进行控制,如图9所示。

为了获得物理问题(各种微分方程)的唯一解,将根据大栅板联箱主泵钠液流量和管脚区域信息等对计算域边界设置边界条件。

(1)流量入口边界条件:对两个主管道入口设置钠液质量入口边界条件,两个主管道入口的钠液质量流量均为3 480 kg/s。

(2)压力出口边界条件:Ⅰ型套筒上部与小栅板联箱管脚相连,将Ⅰ型套筒上部的115个面设置为压力出口边界条件,压力出口边界条件需要设定背压。

(3)湍流模型:大栅板联箱计算采用工程上应用广泛的RNG k-ε模型,这是典型的两方程模型,要解两个变量,速度和长度尺度。RNG k-ε模型具有适用范围广、经济、精度合理等优点,已经在工业流场和热交换模拟中有广泛的应用,特别是在封闭和半封闭的腔内,其计算结果经过很多试验验证,具有较好的可信性。

3 计算结果分析

大栅板联箱计算模型中Ⅰ型套筒为本计算域中的流量出口,也是评估导流套筒优化效果的最重要目标之一。Ⅰ型套筒共有115个出口,为了后续计算结果分析方便,对出口进行编号,如图10所示。

(1)主管道编号:主管道1、主管道2、主管道3和主管道4。

(2)流量出口编号,由中心向外顺势正编号1~115。

(3)径向编号:0、60°、120°、180°、240°和300°。

(4)各圈流量:第1排对应的出口为第2~7号,第2排对应的出口为第8~19号,第3排对应的出口为第20~37号,第4排对应的出口为第38~61号,第5排对应的出口为第62~91号,第6排对应的出口为第92~115号。

后续分析均是在上述编号和分布规则的基础上进行的。

3.1 总体分析

原始结构和改进结构分布规律如图11所示。

(1)每排的流量由中心向外部(第6排)逐渐减小,由中心到第3排原始模型平均流量大于改进模型的平均流量,第4~6排,原始模型平均流量小于改进模型的平均流量。

(2)原始结构由内向外平均流量差异较大,在中心处的流量为83.85 kg/s,而在第6排平均流量为54.6 kg/s,流量差异达29.25 kg/s;改进结构整体流量差异较小,中心处的平均流量64.4 kg/s,在第6排的平均流量58.5 kg/s,流量差异为5.9 kg/s。

为了进一步定量分析对比原始模型和改进模型的出口流量均匀性特征,定义了流量偏差的公式为

(1)

$\mathrm{\delta }=\frac{\sqrt{\stackrel{115}{\sum _{i=1}}({Q}_{i}-{Q}_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{g}\mathrm{e}}{)}^{2}/N}}{{Q}_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{g}\mathrm{e}}}$

式(1)中:Q_i为各出口质量流量;Q_average为115各出口的平均流量;N=115,为流量出口数目。

从表1可知,原始模型整体最大流量差达38.01 kg/s,流量偏差为15.01%,而改进模型最大流量差为10 kg/s,流量偏差为3.78%,由此可见,在增加导流套筒后,整体流通均匀性大大提高,对于堆芯安全将有很大的保障作用。

如图12所示,对于原始结构,在高速钠液通过主管道流入大栅板联箱后,由于流动惯性影响,直接快速流经第4~6排后,将流向0~3排出口区域,这导致了中心区域出口流量远大于第4~6排的出口流量;而增加了导流套筒后,在钠液流入大栅板联箱后先经过导流套筒的均流,再进入115个Ⅰ型套筒,在大栅板联箱内部整体流速变得更为均匀,进而使115个Ⅰ型套筒的流量区域均匀化。

图13所示原始结构由于主管道直接出流的高速钠液冲击作用,在相应的套筒位置形成了压力差较大的负压区,在4个主管道出口出流的钠液汇集到中心区域时,压力增大,大栅板联箱压力分布极不均匀;而改进型结构由于导流套筒的作用,并且在主管道出口处形成局部的高压区域,在流入导流套筒后内部压力趋于均匀,稳定在6 kPa左右。

在大栅板联箱内增加了导流套筒,在整个流通的过程中增加了低孔隙率阻力元件,增加了流通过程中的阻力,原始结构进出口压差为15.72 kPa,而采用改进结构后其进出口压差变为19.14 kPa,需要根据其实际状态对主泵进行合适的选型。

3.2 各排参数分析

如图14和图15所示,原始大栅板联箱安装导流套筒后每排的流量不均匀度明显降低,原始结构和改进结构的流量偏差最小的位置在第2排;但流量偏差的最大位置发生改变,原始结构的流量偏差最大的位置发生在第4排为9.28%,加入导流套筒后流量偏差最大的位置在第5排,流量偏差为3.85%。

由图15可知原始结构在正常工作状态下,第1排和第2排的流量分布呈六边形状态,在0°位置即4号和12号套筒出现了流量最小值,在优化后第1排和第2排的流量均匀性明显提高;而在第3~6排,原始模型由于钠液以较高流速流至中心区域,在4个主管道夹角所在的区域流量分配较少,导致这些区域流量较小,进而导致了其流量分配的不均匀,在增加导流套筒后3~6排的流量高于原始设计结构,造成这一现象的主要原因是导流套筒将流入Ⅰ型套筒区域的钠液变得均匀,在大栅板联箱内部变为接近向上流动的平推流状态,使各个区域的流量分布相近,既降低了1排、2排的流量同时使3~6排的流量得到了提升。

4 结论

提出了一种新型大栅板联箱流量分配结构,在原始结构基础上增加导流套筒,采用三维CFD软件对大栅板联箱原始结构和改进结构进行数值仿真,通过对比两种结构流量分配计算结果的差异,优化了工程设计并应用,得到了如下结论。

(1)原始模型工况下,大栅板联箱内的流场分布不均,出口流量分配存在较大波动;通过增加侧面开孔的导流套筒后,大栅板联箱内的流场均匀性得到有效改善,各出口的流量分配均匀性也得到了有效提高。

(2)增加导流套筒后,大栅板联箱内的流场和压力场不均匀区域主要集中在导流套筒外部区域,而导流套筒内部区域的均匀性都得到了有效提高,从而使得内部流场分布均匀,出口流量分配较好。

(3)增加导流套筒后,整个大栅板联箱内的流阻有所增加,相对于初始工况,增加了21.8%,需要根据实际情况确定主泵选型。

研究结果为大型池式钠冷快堆大栅板联箱结构设计提供关键数值参考。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	杨红义. 快堆热工水力学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2022.

[2]	Yang Hongyi. Thermal hydraulics of fast reactors[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2022.

[3]	Sutton H G. Design of the core support and restraint structures for FFTF and CRBRP[D]. Madison: Westinghouse Electric Corporation, 1977.

[4]	Dixit A S. FBTR grid plate design and hydraulic design of sub-assemblies[M]. Mumbai: Bhabha Atomic Research Centre, 1973.

[5]	Pandey G K, Ramadasu D, Banejee I. Hydraulic studies on core components of PFBR[J]. International Journal of Mathematical, Computational, Physical, Electrical and Computer Engineering, 2014, 8(3): 522-528.

[6]	Sarathy U P, Velusamy K, Selvaraj P, et al. Thermal hydraulic studies for PFBR using PHOENICS[C]// Thermal Hydraulics Section. Kalpakkam: Indira Gandhi Centre for Atomic Research, 2004: 1-12.

[7]	高剑峰. 典型工况下中国实验快堆栅板联箱流体力学分析[D]. 北京: 中国原子能科学研究院, 2005.

[8]	Gao Jianfeng. Hydraulic analysis of the grid plate header of the China experimental fast reactor under typical operating conditions[D]. Beijing: China Academy of Atomic Energy, 2005.

[9]	冯预恒, 胡文军, 乔雪冬, 等. CEFR Ⅰ-Ⅱ型栅板联箱截流件的数值模拟[J]. 原子能科学技术, 2008, 42(S1): 150-154.

[10]	Feng Yuheng, Hu Wenjun, Qiao Xuedong, et al. Numerical simulation of the flow restrictor in the CEFR Ⅰ-Ⅱ type grid plate header[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2008, 42(S1): 150-154.

[11]	冯预恒, 胡文军, 乔雪冬, 等. CEFR小栅板联箱及其节流件数值模拟[J]. 原子能科学技术, 2008, 42(S2): 463-467.

[12]	Feng Yuheng, Hu Wenjun, Qiao Xuedong, et al. Numerical simulation of the small grid plate header and flow restrictor in CEFR[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2008, 42(S2): 463-467.

[13]	李淞, 齐少璞, 马晓, 等. CEFR流量1区燃料组件管脚流量分配数值模拟[J]. 原子能科学技术, 2014, 48(2): 251-256.

[14]	Li Song, Qi Shaopu, Ma Xiao, et al. Numerical simulation of flow distribution in fuel assembly of zone 1 in CEFR[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2014, 48(2): 251-256.

[15]	李淞, 周志伟, 冯预恒. CEFR堆芯组件安装方式对组件间流量分配的影响[J]. 原子能科学技术, 2015, 49(2): 207-211.

[16]	Li Song, Zhou Zhiwei, Feng Yuheng. Effect of fuel assembly installation method on flow distribution in the CEFR core[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2015, 49(2): 207-211.

[17]	冯预恒, 乔雪冬. 中国实验快堆大栅板联箱及一回路压力管数值模拟[C]// 第十届全国反应堆热工流体力学会议. 北京: 中国核能行业协会, 2007: 1-11.

[18]	Feng Yuheng, Qiao Xuedong. Numerical analysis of distribution header and primary loop pressure tube for China experimental fast reactor[C]// Proceedings of the 10th National Conference on Reactor Thermal Hydraulics. Beijing: China Nuclear Energy Association, 2007: 1-11.

[19]	林超, 高鑫钊, 周志伟, 等. 钠冷快堆小栅板联箱压降对组件流量分配影响研究[J]. 原子能科学技术, 2024, 58(9): 1859-1865.

[20]	Lin Chao, Gao Xinzhao, Zhou Zhiwei, et al. Effect of distribution header pressure drop on flow distribution of assembly for sodium-cooled fast reactor[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2024, 58(9): 1859-1865.