CFX应用于反应堆堆芯复杂流场计算的标准题计算分析 上海交通大学核科学与工程学院杨燕华 顾汉洋 张 戈目 录1. 研究目的和内容2几何结构建模和简化 3计算网格划分4计算结果及敏感性分析5全文总结1.研究目的和内容研究目的考查CFD计算复杂流场的适用性反应堆堆芯复杂流场计算几何简化考察网格、数值模型、数值方法敏感性考察总结CFD应用的经验研究对象秦山600MWe核电站反应堆水力模拟试验根据工程图确定计算域1.研究目的和内容研究内容建立几何模型，适当简化合理网格划分，用CFX程序模拟计算对结构简化、网格质量和数量的控制和优化敏感性分析研究几何模型简化网格划分湍流模型数值求解算法入口流量条件总结CFX程序使用经验给定工况和边界条件入口边界条件出口边界速度连续的边界条件。参考压力 参考压力为0.5MPa参考压力位置选在计算域出口端壁面边界采用无滑移壁面条件。 工况单环路流量（m3/h）入口法向流量（m/s）备注双进、双出90010.44实验工况88010.215005.67任务书假定单进、单出90010.44任务书假定双进双出工况单进单出工况2几何结构建模和简化简化上腔室出 口 管入 口 管堆 芯 上 板简 化 堆 芯堆 芯 下 板下支撑柱段吊 篮 底 板下 腔 室原 点压力容器下降段算例编号流体段名称是否简化原始结构简化方案压力容器入口管否算例 2压力容器下降段是保留下降段屏蔽板去除屏蔽板算例 3保留下降段支撑块去除支撑块下腔室否算例 4吊篮底板是旧人孔方案新人孔方案算例 5下部支撑柱是保留支撑柱去除支撑柱算例 6堆芯下板是484个下板流水孔121个等面积流水孔堆芯是堆芯模拟燃料组件分布阻力模型圆柱体结构堆芯上板否算例 7上腔室是上支撑柱去除上支撑柱压力容器出口管否几何结构简化方案表2.1 流体子域建模压力容器入口段未简化压力容器下降段屏蔽板简化2.1 流体子域建模下腔室未简化 2.1 流体子域建模吊篮底板人孔新方案下部支撑柱去除支撑柱堆芯下板 4孔简化为1孔 2.1 流体子域建模简化堆芯圆柱形简化分布阻力模型 2.1 流体子域建模上腔室去除上支撑柱 2.1 流体子域建模堆芯上板 未简化压力容器出口管 未简化2.2 子模块组合压力容器入口段流体 入口管+下降段上部压力容器下降段流道流体 下降段下部堆芯段流体堆芯 2.2 子模块组合下腔室与堆芯下部各板流体（截面图）下降段底部+下腔室+吊篮底板+下支撑柱+下板 上板及压力容器出口段流体上板+上腔室+出口管 3计算网格划分网格类型结构化网格非结构化网格网格划分方法结构化网格自上而下，3D自下而上，2D 3D）非结构化网格自动划分3计算网格划分压力容器入口段流体压力容器下降段流道流体堆芯段流道流体 方 案网格类型网格数单元数方案一结构化网格8835678048方案二结构化网格142606140167方案三结构化网格235932220236方案四入口段结构化网格7852871758下降段结构化网格148074133512方 案网格类型网格数单元数方案一结构化网格5858054720方案二结构化网格197340182920下腔室与堆芯下部各板段流体网格上板及压力容器出口段流体 3计算网格划分方 案网格类型网格数单元数方案一非结构化网格3330491595317方案二（旧人孔）非结构化网格4019831964520方案三（简化支撑块）非结构化网格3109481491161方案四（不简化下部支撑柱）非结构化网格3997451955473方案五（不简化下板）非结构化网格4473032181678方案六非结构化网格4835252318440方案七非结构化网格3383631655741方案八（非等面积交接面）非结构化网格3646441812319方案九非结构化网格8089794008796方 案网格类型网格数单元数方案一非结构化网格44890191923方案二非结构化网格75022358832方案三上板结构化网格53736289736上腔室结构化网格42764394294计算结果及敏感性分析敏感性分析4.1 几何模型简化4.1.1 下降段屏蔽板敏感性 4.1.2 下降段支撑块敏感性4.1.3 吊篮底板人孔敏感性4.1.4 下支撑柱敏感性4.1.5 堆芯下板敏感性4.1.6 不同堆芯段阻力敏感性4.1.7 出口段流体敏感性4.2 网格划分4.2.1 交界面设置敏感性4.2.2 下板处网格加密敏感性4.2.3 网格数量敏感性4.3 湍流模型敏感性4.4 数值求解算法敏感性4.5 入口流量条件敏感性计算基准方案双进双出入口速度为880 m/s计算结果评价标准堆芯下板归一化流量标准差各孔计算值4.1.1 下降段屏蔽板敏感性下降段屏蔽板简化 算例1 52万网格算例2 58万网格算例1 简化屏蔽板方案 算例2 不简化屏蔽板方案 4.1.1 下降段屏蔽板敏感性计算结果差别很小下降段屏蔽板可以做简化4.1.2 下降段支撑块敏感性下降段支撑块简化算例3 50万网格算例1 52万网格算例1 不简化支撑块方案 算例3 简化支撑块方案 4.1.2 下降段支撑块敏感性简化提高均一性外围孔较大偏差下降段支撑块不能简化4.1.3 吊篮底板人孔敏感性吊篮底板人孔算例4 59万网格算例1 52万网格算例1 新人孔方案 算例4 旧人孔方案 4.1.3 吊篮底板人孔敏感性中央各孔流量影响大新人孔方案更准确4.1.4 下支撑柱敏感性下支撑柱简化算例5 59万网格算例1 52万网格算例1 下支撑柱简化方案 算例5 下支撑柱不简化方案 4.1.4 下支撑柱敏感性不简化情况实验值的高点吻合好简化情况下实验值的低点吻合好简化下支撑柱能够更好的模拟实验值4.1.5 堆芯下板敏感性堆芯下板简化算例1 52万网格算例6 63万网格算例1 简化下板方案 算例6 非简化下板方案 4.1.5 堆芯下板敏感性增大尺寸，较少网格较优秀结果绝对值和分布趋势上更逼近实验值堆芯下板的简化可行4.1.6 不同堆芯段阻力敏感性不同堆芯段阻力简化算例1、算例22和算例23 50万网格 算例1实际堆芯阻力系数方案 算例22 2倍堆芯阻力系数方案 算例23 0.5倍堆芯阻力系数方案 4.1.6 不同堆芯段阻力敏感性压降曲线堆芯段压力呈线性下降CFX计算值71.944 kPa实验公式计算值61.653 kPa在上腔室的压力几乎不变堆芯上下板的压降非常明显计算结果比较好的定性模拟了实际的压降4.1.6 不同堆芯段阻力敏感性流量随堆芯阻力正比变化边缘各孔结果差距不大中央孔结果差距较大必须采用实际阻力系数4.1.7 出口段流体敏感性出口段流体简化算例7 63万网格算例8 70万网格算例7 未加出口段方案 算例8 加出口段方案 4.1.7 出口段流体敏感性去除出口段整体计算值都会偏低出口段流体不能去除4.2.1 交界面设置敏感性 算例9 Auto类型交界面方案 算例10 ICEM内部交界面方案 算例11 非等面积类型交界面方案 算例12 GGI类型交界面方案 4.2.1 交界面设置敏感性等面积的交接面优于非等面积交界面GGI类型计算结果准确，耗费计算资源多位置2或者位置3薄层处设置交接面，能提高计算精度4.2.2下板处网格加密敏感性下板处网格加密算例8和算例13 70万网格算例8 下板处网格加密方案 算例13 下板处网格未加密方案 4.2.2下板处网格加密敏感性计算精度提高了很大下板处不加密方案结果波动性大下板处的网格必须加密4.2.3 网格数量敏感性网格数量算例152万网格方案 算例8 70万网格方案 算例1495万网格方案 4.2.3 网格数量敏感性提高网格数量，中央各孔能更逼近实验值通过提高计算网格数量，尤其是下腔室网格数量，来提高计算精度。4.3 湍流模型敏感性湍流模型算例1算例15算例16 SSTSST4.3 湍流模型敏感性湍流模型影响不大SST模型的收敛速度最慢4.4 数值求解算法敏感性数值求解算法算例17 高阶精度方案 算例1 一阶迎风方案 算例18 Blend Factor=0.75方案 4.4 数值求解算法敏感性在本网格数量下高阶精度差分收敛性差一阶迎风差分收敛性好，结果更逼近实验值在网格数量较多的情况下，推荐高阶精度4.5 不同入口流量敏感性算例19 双入口900 m3/h流量方案 算例8 双入口880 m3/h流量方案 算例20 双入口500 m3/h流量方案 算例21 单入口900 m3/h流量方案 4.5 不同入口流量敏感性流量小，堆芯下板流量分配的均一性更好双进双出工况，四周孔流量会偏低，而中央孔流量偏高单进单出工况，虽然并不对称的入口条件，但是因为流量的减少，使得堆芯下板流量的分配均一性反而提高了下腔室各截面流动情况4.6 交混系数交混系数A入口流体质量分额关于垂直于入口的中心截面对称算例24 双入口900 m3/h流量方案 算例25 双入口880 m3/h流量方案 算例26 双入口500 m3/h流量方案 4.6 交混系数交混系数从左至右逐渐增加，总体趋势正确不同入口流量对交混系数影响很小5全文总结本研究主要针对堆芯复杂流道的模拟计算进行，通过几何建模和网格划分，得到了CFD计算的模型，选取和对比实验相同的边界条件下的工况进行计算，和实验值对比，并对几何结构的简化、网格划分、湍流模型、数值求解算法和不同的入口流量进行了敏感性的分析，得出了以下的结论： 5全文总结1 几何结构简化敏感性下降段屏蔽板的简化计算结果差别很小下降段屏蔽板可以做简化下降段支撑块的简化提高均一性外围孔较大偏差下降段支撑块不能简化吊篮底板的人孔中央各孔流量影响大新人孔方案更准确简化下支撑柱的简化不简化情况实验值的高点吻合好简化情况下实验值的低点吻合好简化下支撑柱能够更好的模拟实验值5全文总结堆芯下板的简化增大尺寸，较少网格较优秀结果绝对值和分布趋势上更逼近实验值堆芯下板的简化可行堆芯阻力的简化计算结果比较好的定性模拟了实际的压降流量随堆芯阻力正比变化边缘各孔结果差距不大中央孔结果差距较大必须采用实际阻力系数出口段流体的简化去除出口段整体计算值都会偏低出口段流体不能去除5全文总结2 网格划分敏感性交界面的选择等面积的交接面优于非等面积交界面GGI类型计算结果准确，耗费计算资源多在薄层处设置交接面，能提高计算精度堆芯下板加密计算精度提高了很大下板处不加密方案结果波动性大下板处的网格必须加密网格数量提高网格数量，中央各孔能更逼近实验值通过提高计算网格数量，尤其是下腔室网格数量，来提高计算精度5全文总结3 湍流模型湍流模型影响不大SST模型的收敛速度最慢4 网格数量在本网格数量下高阶精度差分收敛性差一阶迎风差分收敛性好，结果更逼近实验值在网格数量较多的情况下，推荐高阶精度5 不同入口流量流量小，堆芯下板流量分配的均一性更好双进双出工况，四周孔流量会偏低，而中央孔流量偏高单进单出工况，虽然并不对称的入口条件，但是因为流量的减少，使得堆芯下板流量的分配均一性反而提高了谢谢!