2. 中国科学院大学 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
非能动安全是一种先进的安全系统设计理念，其利用一些常见自然力（如对流、重力等）作为驱动力，不需要泵、风机或者其他能动设备的投入，可以更好地促进核电站的安全性和经济性协调发展。因此，非能动概念已成为世界核电安全系统的发展潮流，例如美国西屋公司的百万千瓦级非能动先进压水堆(Advanced Passive PWR, AP1000)、欧洲的欧洲先进压水堆(Evolutionary Power Reactors, EPR)、俄罗斯的水冷却-水慢化动力反应堆(Water-cooled Water-moderated Power Reactor, WWER)、加拿大的先进CANDU堆(Advanced CANDU Reactor, ACR)[1]等，均采用了非能动安全系统设计。许多新设计的堆型还将非能动技术用于堆芯正常运行时的热量排出，如俄罗斯的小型核动力一体化压水堆ABV-6M[2]。
流体自然循环在非能动中的作用非常重要。它利用高度差和密度差驱动工质流动，完成整个环路的工质循环，有着广泛的应用。如AP1000的非能动堆芯冷却系统(Passive Core Cooling System, PXS)、非能动安全壳冷却系统(Passive Containment Cooling System, PCS)和中国先进压水堆的二次侧非能动余热排出系统[3]。
第四代核能系统候选堆型之一的熔盐堆，也在进行非能动方式排出余热的探索。其中的非能动余热排出系统是确保事故条件下堆芯温度不超过限值的有效手段。其可在反应堆发生事故的情况下非能动地将堆芯热量排除，提高了反应堆的安全性和可靠性。
中国科学院上海应用物理研究所正在进行固态和液态燃料钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System, TMSR)的研发。为验证非能动余热排出系统可靠性设计建造的硝酸盐自然循环实验回路(Nitrate Natural Circulation Loop, NNCL)，仅依靠热段和冷段中的流体密度差所产生的驱动压头来实现流动循环，可为熔盐堆的余热排出系统设计提供实验依据[4]。该回路目前已进行了大量实验。
NNCL的最终热阱是大气，因此，熔盐-空气热交换器风冷通道内空气的自然对流特征是该回路验证换热器的换热模型、空冷塔和风门等设计的关键。其决定了是否可以有效带走熔盐池多余的热量，影响回路自然循环的建立和稳定性。目前，NNCL实验尚无法获得流场的详细信息[5]。鉴于上述原因，本工作利用NNCL建成后的实际结构尺寸，针对NNCL风冷通道进行研究，利用数值模拟方法，借助计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件分析研究空气流道的流场特性。通过本工作，可加深对风冷通道内的空气自然循环流动过程的了解，为NNCL自然循环建立的有效性和稳定性提供了参考依据之一，为空气风冷通道的设计优化提供参考数据，为熔盐堆的余热排出系统设计提供相关技术积累。
1 硝酸盐自然循环实验回路介绍NNCL主要由加热器、熔盐池、熔盐储罐、熔盐-熔盐热交换器、熔盐-空气热交换器、风冷通道、膨胀罐和连接管道等组成，见图 1。NNCL包括三级自然循环回路，分别是主回路的熔盐自然循环回路、熔盐池内的熔盐自然循环回路、风冷通道内的空气自然循环回路[6]。风冷通道参数和熔盐-空气热交换器参数分别见表 1和表 2。正常运行时，主回路管道中熔盐利用熔盐-熔盐热交换器吸收熔盐池的热量，并通过布置在风冷通道上的熔盐-空气热交换器，将热量带到最终热阱大气中。
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图 1 硝酸盐自然循环实验回路 Figure 1 Schematic of nitrate natural circulation loop |
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表 1 风冷通道参数 Table 1 Parameter of chimney |
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表 2 熔盐-空气热交换器参数 Table 2 Parameter of NDHX heat exchanger |
风冷通道采用逆流热交换方式[7]，即冷空气从底部进入，流经换热器，在换热器的热力作用下，产生上升运动，从顶部流出，形成自然对流。换热管道中的熔盐从上部进入，经过空气冷却后从下部流出。空气与热交换器的热传递带走部分热量，使得熔盐-空气热交换器内的熔盐温度降低，密度改变，与风冷通道外部的熔盐形成密度差，从而驱动熔盐回路的自然循环。
2 数值模型数值模拟的计算区域包括风冷通道和熔盐-空气热交换器，计算模型见图 2。该模型简化了固定支架、连接支撑结构及实验测量仪表等。
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图 2 风冷通道几何模型 Figure 2 Geometric model of chimney |
本文硝酸盐物性参数为[8]：
| $ \rho = {\rm{2 293}} - 0.749\;7 \times T(K) $ | (1) |
| $ c = 5\;086 - 10.833T + 7.241\;3 \times {10^{ - 3}}{T^2}(^\circ {\rm{C}}) $ | (2) |
式中：ρ为密度；c为热容。
空气物性参数：在绝对标准大气压下，20℃干空气密度为1.193kg·m-3，90℃干空气密度0.973kg·m-3，体积膨胀21.79%，热容取常数cp=1003J·(kg·K)-1。
2.2 网格划分本文使用三维建模软件SOLIDWORKS建立几何模型，利用前处理软件ICEM (The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)划分网格。网格类型为四面体，如图 3所示。换热器和进出风管为两个独立的流体域。在ICEM中整体模型网格尺寸设大小置为60mm。其中换热管道相对来说尺寸较小，故采用局部细化。换热器流体域的网格尺寸为10mm，网格总数为241万。网格质量分布见表 3，质量分布大于0.4占比99.961%，满足计算精度要求[9]。
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图 3 风冷通道计算网格 Figure 3 Computational mesh of air-cooled channel |
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表 3 网格质量分布 Table 3 Distribution of the mesh quality |
空冷塔塔壁为壁面边界，空冷塔入口采用压力入口，出口为压力出口。熔盐-空气热交换器管壁为壁面边界，熔盐入口为质量流量入口，出口为压力出口。风门为壁面边界。风冷通道内初始温度为壁面温度，其余部分为环境温度。相关物性参数拟合为多项式，植入FLUENT。操作压力为一个大气压，考虑重力因素。对于密度项采用Boussinesq近似[10]，将动量方程中的密度项按照非定常量处理。
为了加快计算的速度，本文中的数值计算采用了并行计算的方式。控制方程湍流模型选用RNG k-ε模型，增强壁面函数(y+ < 5)。压力和速度之间的耦合计算使用SIMPLE算法，压力离散格式选择Body Force Weight，其余动量、湍动能和耗散率的离散选用二阶迎风格式。瞬态计算的时间步长为0.015s。
3 结果和讨论 3.1 风门完全开启后结果和讨论为验证建模是否正确，表 4给出了风冷通道空气进出口温度和熔盐-空气热交换器熔盐进出口温度的模拟值和实验比较。其中空气入口环境平均温度为20.30℃，熔盐入口环境平均温度为300.20℃。结果表明：模拟得到的空气进出口温差与实验值误差为2.4%。模拟得到的熔盐进出口温差与实验值误差为3.2%，模拟结果与实验吻合良好。FLUENT模拟得出的稳态换热功率为20279.7W，实际换热功率的平均值为21300W，模拟得到的功率与实际值误差为4.7%。建立的模型满足NNCL设计要求，换热功率大于2MW，可以有效带走熔盐池的热量。
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表 4 模拟计算与实验结果对比 Table 4 The comparing between simulation and the experiment results |
系统达到稳态后的压强、温度和速度分布分别如图 4~6所示。图 4是风冷通道内的空气及换热器内熔盐的压强分布。以一个大气压(101325Pa)为表压，风冷通道空气进口处压强比出口处压强高2847.634Pa。换热器熔盐出口处压强比入口压强高12123.953Pa。符合实际压强分布情况。
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图 4 空气和NDHX换热器压强分布 Figure 4 Pressure distribution of air and heat exchanger |
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图 5 空气流速分布 Figure 5 Air velocity distribution in steady state |
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图 6 空气和换热器温度分布(a)空气温度分布，(b)换热器温度分布 Figure 6 Temperature distribution of air and heat exchanger (a) Air, (b) Heat exchanger |
图 5是风冷通道内空气的流速分布。在传热过程中，温度场与速度场是相互影响的。温差的存在引起了速度的变化，同时对流也促进了热量的传递，加快了流体之间的换热。对速度场的分析，更有利于了解换热器结构对流体换热的影响。从图 5中可以看出，靠近换热器的流体速度变化较大，远离换热器的区域速度变化较小。换热管束内部的空气，也由于受到换热器局部结构的影响，流动速度很小。分析可知，自然循环建立后，空气在升浮力的作用下进入通道，风门入口处的流速较高，进入到空冷塔风箱后，由于换热器阻碍作用，流动阻力变大，流动不顺利，流速变小。经过管束后，出风段的流速重新变大。
还可以看出，在换热器管束弯管处流体的流速出现了突升现象，这是由于该换热器结构的影响引起的速度突变。管束在弯曲处形成了一个类似突缩的结构，这一结构使空气的流速在此处突然升高，增加了内部空气流动的扰动，在热交换过程中流体扰动可以增强换热，有利于自然循环进一步形成。在外部区域流速又会重新趋于稳定。
图 6(a)是风冷通道内空气的温度分布。自然循环时，20℃的冷空气从底部风门处进入风冷通道。由于风门存在角度倾斜，所以冷空气顺着风门倾斜的方向进入风箱，使得右边旁路流道的冷空气温度分布较左侧低。可以看出，换热器管束间流道里的空气，由于高温熔盐管道与其换热，使其温度升高；此外，在管道上部的空气温度高于管道下部，是风冷通道里温度最高的一段。该现象说明换热器上部管道换热效果较下部管道更加不充分。其主要原因是，蛇形弯管的排列使换热器管道之间形成了“热阻碍区”，在这一区域周围三面都被管道包围，对空气流道产生阻碍作用，使空气流速下降，温度变高。在空气进入出风段时，热空气通过与冷空气的搅混作用，温度有所下降，继续向上流动，将热量排入大气。
从图 6(b)可以看出，不在同一排的传热管温度分布不同。随着流动方向温度逐渐降低。在径向，传热管道下部温度变化较大，上部温度变化不明显。这也侧面反映了换热器外空气温度不断升高，尤其是径向较高位置空气温度上升较快，对管内的热流体冷却不充分。对传热管束温度场的分析可知，管内外换热过程中，传热管内的流体的温度分布是分段式的。分段数与管道内外流体的换热强度有关，当传热效果好时分段数增加，传热效果降低后分段数减少。由于与空气的热交换带走了热量，从而使管道内部的熔盐由于温度差而产生熔盐的自然循环。
3.2 风门开启过程结果和讨论图 7为风冷通道出口截面温度随时间的变化，由图 7可知，风门开启后，由于空气被加热形成的密度差，产生升浮力，建立了自然循环过程。将CFD模拟得到的空冷通道内的温度瞬态变化过程与光纤测量结果进行对比，吻合情况良好，说明模型建立合理，能够如实反映自然循环时候的传热情况，模拟结果真实可信。
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图 7 风冷通道出口截面温度随时间的变化 Figure 7 Variation of air temperature on export plane |
在风门开启后，风冷通道的温度在15s内持续变化。图 8为FLUNT模拟得到的空冷塔内轴向截面的温度分布随时间的变化。时间间隔为2.25s。可以看到，随着时间推移，风冷通道内底部的热空气向上流动，上部热空气排出通道外，形成自然循环。风门开启的初始4s，由于被加热的热空气还没有流动到出口，所以出口温度变化不大。第4s开始出口温度线性升高，在第9s时，空气的升浮力开始与重力趋于平衡，温度变化率降低，14s后出口温度上升趋势趋于平缓。
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图 8 模拟得到的风冷通道内空气温度随时间的变化 Figure 8 Variation of air temperature in chimney measured by CFD simulated |
将建立的CFD模型按照实际光纤测温装置布置的高度截出4个测量平面[11]，平面对应的高度分别为0.20m、0.60m、1.15m和5.80m。图 9为不同时间下，各截面的温度分布趋势。由于14s后出口温度变化趋势趋于平缓，所以选取0~20s的截面温度分布进行观察对比。
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图 9 模拟得到的不同高度截面的空气温度变化 Figure 9 Variation of air temperature on different heights |
根据CFD模拟的结果，绘制各截面平均温度随时间的变化趋势如图 9所示。可以看到，风门打开后，冷空气自下而上吹过换热器，依靠热段和冷段中的流体密度差产生的驱动压头实现自然循环。不同高度截面的曲线整体走势基本相同，整条曲线走势大致可分为四个区，分别是：温度平稳过度区，温度快速上升区，温度稳定上升区和平稳区。其中平稳过渡区时间最短，而且距离换热器最近的0.2m处的高度截面没有温度平稳过渡区，这是因为换热器高温区在它的下部且距离很近，受到管道高温的影响，在风门开启后率先升温。0.6m处截面，1.1m处截面在前2s都处于温度平稳过渡区。各截面快速上升区时间也很短，是因为热流体沿着风冷通道自下而上流动，高度越高越晚接触到热流体，而热流体与风冷通道内的初始环境温度温差较大，瞬时换热效果明显，从而产生温度快速上升区。在2 s后，高度0.2m处率先进入温度稳定上升区，其他不同高度截面依照高度顺序依次延后2s左右进入温度快速上升区，持续2s后（5.5m处持续4.5s），陆续进入温度稳定上升区。在这段时间内温度上升仍较明显，但是同快速上升区相比这段时间内的温度变化已经趋于缓和，曲线斜率明显变小。分析可知由于空气的导热系数较小，所以这段时间内主要是流经换热器的热空气开始将快速上升区积累的热量向周围传递，而自身的温度因为与传热管结构内的热空气温度还有一定的温差，所以仍在升高。当传热过程进行到第16s时，风冷通道内所有截面都进入了平稳区，温度变化率较小，上升趋势很缓慢，与换热器交换的热量已经不足以让温度继续快速上升。靠近换热器的0.2m处截面温度最高，约为127℃；0.6m处截面温度约为118 C；1.15m处截面温度约为105℃；5.8m处截面温度约为76℃。可见，空冷塔内部空气达到平稳区的温度，越靠近出口处温度越低，出口处温度比底部温度低约52℃。这是由于出口处热空气与冷空气进行了热量交换，使出口温度有所下降。各截面温度变化趋势与光纤测量结果一致。
4 结语本工作利用数值模拟方法，对NNCL熔盐-空气换热器空气流道的温度场和速度场分布及变化规律进行了研究。通过对研究结果的分析了解了风冷通道内自然循环的整个工作过程。研究结果表明：
1) 空气自然对流在16s内即可达到稳定的状态，风门完全开启后即可基本达到稳定状态；
2) 数值模拟计算得到的空气出口平均温度为75.96℃，进出口温差55.81 ℃，换热器换热功率为20279.7W，满足NNCL设计要求，可以及时排除熔盐池余热；
3) 风冷通道内的空气温度变化在风门打开后可以分为4个区间：温度平稳过度区、温度快速上升区、温度稳定上升区和平稳区，其中靠近换热器的部分没有温度平稳过渡区，并且各个高度处于温度稳定上升区的时间比快速上升区长；
4) 熔盐-空气换热器的蛇形弯管的排列方式，在换热器管道弯曲处形成了“热阻碍区”。这一区域对空气流道产生阻碍作用，影响了空气的流动，使此处空气流速下降，温度变高。
本工作中换热功率与实际值误差为4.7%，说明了FLUENT软件可以有效地模拟风冷通道内的自然循环换热。也表明利用CFD方法构造的换热器模型是适当的，可基于该模型对NNCL进行下一步的优化研究。
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