王 迪，佟立麗，曹學(xué)武

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240)

水冷固態(tài)增殖包層模塊冷卻劑管系流量分配研究

王 迪，佟立麗，曹學(xué)武

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240)

包層是磁約束聚變堆中實(shí)現(xiàn)氚增殖和能量導(dǎo)出的重要部件，針對包層模塊中，由于復(fù)雜的串并聯(lián)流道結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的冷卻劑流量分配不均勻問題，采用一維熱流體流動(dòng)分析軟件Flowmaster，建立了水冷固態(tài)增殖包層子模塊的冷卻劑流道結(jié)構(gòu)模型。對運(yùn)行工況下包層冷卻劑流量分配進(jìn)行模擬，并與相關(guān)試驗(yàn)以及模擬結(jié)果進(jìn)行比對。模擬結(jié)果表明，所建立的子模塊一維模型各部分冷卻劑溫升和壓降均與設(shè)計(jì)值吻合，模型能夠準(zhǔn)確的描述包層冷卻劑流動(dòng)特性。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，包層子模塊側(cè)壁支管出現(xiàn)較為明顯的流量分配不均勻現(xiàn)象，流量最大值與最小值偏差達(dá)到5%。位于側(cè)壁上下兩端的集合管對流量分配均勻性起重要作用，保持矩形集合管橫截面積不變，橫截面長寬相等時(shí)流量分配最為均勻。當(dāng)集合管采用不同形狀設(shè)計(jì)時(shí)，圓形管道流量分配均勻性要好于矩形管道。

水冷固態(tài)增殖包層模塊；復(fù)雜管系；流量分配

目前，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃參與各方提出了多種增殖包層設(shè)計(jì)方案，其中水冷固態(tài)增殖包層(WCSB)設(shè)計(jì)因其冷卻劑運(yùn)行工況與壓水堆接近，具備成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，用水作冷卻劑具有可避免由液態(tài)金屬冷卻劑導(dǎo)致的MHD效應(yīng)以及水的獲取成本相對低廉等優(yōu)勢，作為增殖包層研發(fā)的對象，也是未來增殖包層設(shè)計(jì)的重要選擇之一[1]。在ITER布置方案中，WCSB以測試模塊的形式設(shè)置在ITER裝置的赤道窗口，一個(gè)測試包層模塊(TBM)由兩個(gè)相同的子模塊所組成[2]。冷卻劑從包層背板下方入口流入子模塊，依次流經(jīng)第一壁、側(cè)壁、氚增殖區(qū)和中子倍增區(qū)四個(gè)部分的管路，最后從背板上方出口流出。包層各部分流道均為并聯(lián)通道結(jié)構(gòu)，即通過集合管將冷卻劑分配到各根支管當(dāng)中，從而對包層整體進(jìn)行冷卻。因此，能否確保冷卻劑均勻分配，避免包層局部過熱，確保聚變堆安全運(yùn)行與傳熱效率，就成為包層模塊并聯(lián)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

在并聯(lián)通道流量分配數(shù)值模擬研究方面，大多采用三維計(jì)算流體力學(xué)分析軟件。針對中國氦冷固態(tài)增殖包層子模塊后板分配腔流動(dòng)特性，相關(guān)學(xué)者采用Fluent建立模型，發(fā)現(xiàn)氦氣流量分配的不均勻性，并導(dǎo)致包層結(jié)構(gòu)材料的溫度高于許用溫度[3]。JAEA亦采用Fluent對日本水冷固態(tài)增殖包層第一壁支管冷卻劑流量分配進(jìn)行了模擬[4]，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。上海交通大學(xué)采用計(jì)算流體力學(xué)方法對水冷包層子模塊第一壁冷卻劑管系建立了三維模型，通過分析發(fā)現(xiàn)，第一壁入口集管存在復(fù)雜的流動(dòng)行為，冷卻劑可以明顯區(qū)分為主流和逆流兩部分，并且主流進(jìn)入冷卻管的位置是影響流量分配的主要因素，逆流區(qū)形成了一系列次級(jí)渦流和沿管壁的環(huán)向流動(dòng)[5]。目前，使用三維CFD分析軟件對包層冷卻劑流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行的研究主要基于包層模塊某一局部結(jié)構(gòu)的建模。對于冷卻劑流道結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的包層模塊整體，冷卻劑流道結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，使用三維CFD方法存在困難；而對于包含有多個(gè)增殖包層模塊的冷卻劑扇段的流動(dòng)規(guī)律研究，CFD分析方法則更加困難。因此，著眼于整個(gè)管路系統(tǒng)的一維流動(dòng)分析軟件，在包層模塊整體乃至冷卻劑扇段的流動(dòng)規(guī)律研究方面，比三維分析軟件更加具有優(yōu)勢，同時(shí)一維流動(dòng)分析軟件中具備的充足的流道元件模型，也保證其能夠反映包層管系的布置特點(diǎn)。

本文基于一維熱流體流動(dòng)分析軟件Flowmaster，針對水冷增殖包層子模塊冷卻劑流道建立模型，通過比對模擬計(jì)算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所建模型能夠準(zhǔn)確描述包層子模塊流量分配規(guī)律，針對流量分配出現(xiàn)較為明顯不均勻現(xiàn)象的側(cè)壁部分流道，適當(dāng)改變側(cè)壁流道集合管形狀，有助于使流量分配趨于均勻，降低包層局部過熱的危險(xiǎn)。

1 包層側(cè)壁流量分配模擬與實(shí)驗(yàn)比對

首先建立水冷包層子模塊側(cè)壁(side wall, SW)部分模型，側(cè)壁冷卻劑流道是由7根支管和兩根集合管組成的U型并聯(lián)通道結(jié)構(gòu)(冷卻劑出入口都位于1號(hào)支管一側(cè)，集合管中冷卻劑流動(dòng)方向則相反)。圖1為建立的側(cè)壁一維流動(dòng)模型，模型中支管與集合管等均直接選擇程序元件庫中相應(yīng)元件，再將各個(gè)元件相互連接構(gòu)成整個(gè)側(cè)壁模型。側(cè)壁入口設(shè)置流量邊界條件1kg/s，出口設(shè)置壓力邊界條件0.3MPa，與7號(hào)支管相連的三通管左端設(shè)置零流量邊界條件，選擇不可壓縮流體，流動(dòng)視為絕熱過程。

圖1 Flowmaster建立側(cè)壁驗(yàn)證模型Fig.1 Side wall built by Flowmaster

通過模擬，可得到7根支管的流量分配結(jié)果，將其同JAEA完成的側(cè)壁流量分配特性實(shí)驗(yàn)值及其模擬值[6]進(jìn)行比較，如圖2所示。通過比對分析可見，穩(wěn)態(tài)模擬的流量分配結(jié)果與JAEA模擬值吻合較好，都體現(xiàn)了U型并聯(lián)通道的流動(dòng)特點(diǎn)，距離入口越遠(yuǎn)，支管流量越小的趨勢。表1列出了用兩種數(shù)值模擬方法得到的支管流量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差范圍對比，誤差范圍比較接近，說明了一維模型的可用性。

圖2 不同數(shù)值模擬方法結(jié)果比較Fig.2 Comparison of three simulations

管道編號(hào)誤差/%JAEASimulation誤差/%Flowmaster1-2.5-4.324.93.53-3.9-4.142.13.15-7.9-6.662.23.676.47.9

2 水冷包層子模塊模型建立

水冷固態(tài)增殖包層子模塊冷卻劑流道由第一壁(FW)、側(cè)壁(SW)、最靠近等離子體增殖區(qū)(NP)、增殖區(qū)其余流道(TO)和背板(BP)五個(gè)部分的并聯(lián)通道所組成。

冷卻劑液態(tài)水在包層子模塊內(nèi)由下方入口進(jìn)入，入口溫度為280℃，壓力為15.5MPa，依次流經(jīng)第一壁、側(cè)壁、最靠近等離子體增殖區(qū)、增殖區(qū)其余流道和背板，最后從上方出口流出，出口溫度為325℃，表2列出了這五個(gè)部分的并聯(lián)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)和冷卻劑流動(dòng)方向?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，建立包層子模塊模型，如圖3所示。

表2 包層子模塊各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)與冷卻劑流動(dòng)方向

圖3 包層子模塊模型Fig.3 Model of sub-module

根據(jù)JAEA設(shè)計(jì)報(bào)告中的要求，水冷固態(tài)增殖包層子模塊第一壁承受平均表面熱流密度設(shè)計(jì)值為0.3MW/m2，中子壁負(fù)載0.78MW/m2，流入單個(gè)子模塊的冷卻劑質(zhì)量流量為3.08kg/s，溫升從280℃到325℃，整個(gè)流動(dòng)過程中一共帶走0.78MW熱量，冷卻劑總壓降約為120kPa，溫度變化為從280℃到325℃，熱流密度沿管道長度方向均勻分布。添加15.5MPa壓力下液態(tài)水的物理性質(zhì)曲線，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得到的各部分壓降與溫升模擬值同設(shè)計(jì)值的對比分別如表3和表4所示。對比包層子模塊各部分壓降與溫升模擬值和設(shè)計(jì)值，兩者數(shù)據(jù)基本吻合，子模塊壓降與溫升誤差均接近1%，因此建立的模型能夠準(zhǔn)確描述子模塊流道內(nèi)冷卻劑在運(yùn)行工況下的流動(dòng)狀況。

表3 包層子模塊壓降模擬值與設(shè)計(jì)值對比

表4 包層子模塊溫升模擬值與設(shè)計(jì)值對比

3 水冷包層子模塊流動(dòng)特性分析

3.1 子模塊穩(wěn)態(tài)流量分配

對建立的包層子模塊模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的模擬，分別得到子模塊各部分并聯(lián)通道支管的流量分配。

圖4為穩(wěn)態(tài)條件下第一壁29根支管質(zhì)量流量分配圖，在第7根和第23根支管處流量出現(xiàn)兩個(gè)峰值，而位于中間的13號(hào)～17號(hào)支管流量相對較小，流量分布與管道結(jié)構(gòu)具有很大關(guān)系，峰值的出現(xiàn)是由于第一壁管道出口即連接第一壁上方集合管與側(cè)壁上方集合管的90°彎管入口所處位置恰好與第7和23號(hào)支管最近所導(dǎo)致的。第一壁與側(cè)壁連接處彎管結(jié)構(gòu)如圖5所示，圓圈中為第一壁出口位置。

圖4 第一壁支管流量分配Fig.4 Flow distribution of FW

圖5 第一壁與側(cè)壁連接處彎管結(jié)構(gòu)Fig.5 Joint of the FW and SW

圖6 側(cè)壁冷卻劑流道結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of SW coolant pipes

水冷包層子模塊側(cè)壁結(jié)構(gòu)與JAEA完成的側(cè)壁流量分配特性實(shí)驗(yàn)所采用U型并聯(lián)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有所不同，其結(jié)構(gòu)更加接近Z型并聯(lián)流道結(jié)構(gòu)(集合管中冷卻劑流動(dòng)方向相同)，如圖6所示。由于側(cè)壁出口位于第9號(hào)支管的正下方，導(dǎo)致第9號(hào)支管的流量略高于第10號(hào)支管。如圖7、圖8所示，相比第一壁均勻的流量分配，側(cè)壁流量分配體現(xiàn)出較為明顯的差異，支管最大流量與最小流量相差接近5%，但仍然存在進(jìn)一步改進(jìn)的空間。不同支管中冷卻劑由于流量分配不均勻所導(dǎo)致的溫升差異為0.17℃，滿足傳熱要求。包層增殖區(qū)流道分為最靠近等離子體部分和其余流道部分，其中最靠近等離子體部分為17根圓形截面支管并聯(lián)流道，冷卻劑從子模塊兩邊側(cè)壁流出后進(jìn)入該區(qū)域下方集合管，分流進(jìn)入支管以后再進(jìn)入上方集合管，由于此并聯(lián)通道中，冷卻劑從下方集合管兩端進(jìn)入，流量分配與冷卻劑僅從一端流入的Z型和U型結(jié)構(gòu)都有所不同，如圖9所示，支管流量整體分配均勻，體現(xiàn)出明顯的軸對稱特點(diǎn)。

圖7 側(cè)壁支管流量分配Fig.7 Flow distribution of SW

圖8 側(cè)壁支管出口溫度Fig.8 Coolant temperature in outlet of SW

圖9 增殖區(qū)流量分配Fig.9 Flow distribution of NP

冷卻劑流出增殖區(qū)后，再次進(jìn)入集合管，通過四根并聯(lián)彎管后流入背板下方腔室，然后進(jìn)入背板四條并聯(lián)流道，在上方矩形集合管匯合后流入包層出口管道，完成包層整個(gè)流動(dòng)過程，溫度達(dá)到325℃。由于背板在子模塊各部分中受熱載荷最小，因此流道結(jié)構(gòu)也較為簡單，流量分配如圖10所示，各支管流量分配差異接近1%。

圖10 背板流量分配Fig.10 Flow distribution of BP

因此，通過模擬得到在運(yùn)行工況下包層子模塊流量分配，其中側(cè)壁部分出現(xiàn)較為明顯的流量分配不均勻現(xiàn)象，可進(jìn)一步加以改進(jìn)。

3.2 側(cè)壁流量分配均勻性討論

原側(cè)壁集合管橫截面為矩形，高度為50mm，寬度為10mm。現(xiàn)保持其橫截面積不變，將高度減少而寬度增加。共選取5組不同的寬高比截面進(jìn)行對比，不同截面形狀下的側(cè)壁總壓降如表5所示。每根支管流量分配和壓降變化趨勢如圖11、圖12所示，當(dāng)側(cè)壁集合管截面積不變且截面形狀始終為矩形時(shí)，正方形截面能夠使側(cè)壁總壓降達(dá)到最小，同時(shí)各支管壓降也更加均勻，由此產(chǎn)生的流量分配更加均勻，原側(cè)壁結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的支管流量差異達(dá)到5.4%，當(dāng)截面為正方形時(shí)，支管流量差異減少至3.7%。

圖11 不同矩形截面?zhèn)缺谥Ч芰髁縁ig.11 Mass flow rate of different rectangular pipes of SW

圖12 不同矩形截面?zhèn)缺谥Ч軌航礔ig.12 Pressure drop of different rectangular pipes of SW

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變集合管橫截面形狀，仍然保持截面積不變，將截面改為圓形，管徑為25.2mm，將此結(jié)果與正方形截面結(jié)果和矩形截面結(jié)果進(jìn)行比較，如圖13、圖14所示，當(dāng)集合管截面為圓形時(shí)，流量分配均勻性要好于正方形截面，此時(shí)支管流量最大值與最小值僅相差3.2%。上述對側(cè)壁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要增大了集合管的水力學(xué)直徑，減少了集合管摩擦壓降，從而使集合管中的冷卻劑每流經(jīng)一根支管，向支管中分流的流量都更加趨于相等，因此支管流量分配也更加均勻。

圖13 不同形狀截面支管流量變化Fig.13 Pressure drop of different pipes of SW

圖14 不同形狀截面支管壓降變化Fig.14 Pressure drop of different pipes of SW

4 結(jié)論

水冷固態(tài)增殖包層模塊中，復(fù)雜工況和冷卻劑流道結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的并聯(lián)流道流量分配不均勻現(xiàn)象會(huì)影響包層傳熱效率與運(yùn)行安全。針對這一問題，本文基于一維流體分析軟件Flowmaster首先建立了水冷包層側(cè)壁冷卻劑流道模型，將側(cè)壁模型中支管流量分配結(jié)果同JAEA側(cè)壁試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比，三者符合良好，從而驗(yàn)證了所建模型描述流量分配規(guī)律的可用性。在此基礎(chǔ)上建立了水冷包層子模塊模型，并通過將子模塊模型冷卻劑壓降和溫升模擬值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，兩者基本一致，因此所建立模型能夠反映冷卻劑在包層中的流動(dòng)特性。通過水冷包層子模塊穩(wěn)態(tài)流量分配模擬，得到包層第一壁、側(cè)壁、增殖區(qū)最靠近等離子體流道、增殖區(qū)其余流道和背板5個(gè)部分冷卻支管的流量分配。針對流量分配差異相對較大的側(cè)壁部分，改變冷卻劑流道集合管結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究其對流量分配產(chǎn)生的影響，將集合管截面形狀由矩形改為相同面積圓形，有利于降低集合管摩擦壓降，從而提高流量分配均勻性。但是在包層模塊中，由于承擔(dān)著比第一壁少很多的熱負(fù)載，側(cè)壁的設(shè)計(jì)主要著眼于減小壁厚以增大子模塊內(nèi)部空間，從而使子模塊能夠裝載更多氚增殖劑與中子倍增劑，包層的氚增殖能力也相應(yīng)增強(qiáng)。目前在厚度方向尺寸較小的側(cè)壁集合管設(shè)計(jì)方案雖然不利于流量分配均勻化，但在提高氚增殖能力方面具有一定優(yōu)勢，因此也是一種可行的方案。

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Study on Flow Distribution of Coolant Pipes for WCSB Module

WANG Di, TONG Li-li, CAO Xue-wu

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Test blanket module is a critical part of magnetic confinement fusion reactor to be used as tritium breeder and coolant. Aiming at flow distribution problem of coolant caused by complex structure of pipes in the blanket module of fusion reactor, this paper uses one-dimensional thermal fluid systems simulation software of Flowmaster to build sub-modules model of water-cooled solid blanket (WCSB). Flow distribution of the sub-module model in the operating condition is simulated and compared with design values and other relevant simulations. Simulation result shows that the pressure drop and temperature rise in each part of sub-module show good agreement with design value. The model can describe flow characteristics accurately. In operating condition, there is obviously non-uniform flow distribution observed in the side wall tubes. The mass flow rate difference between maximum and minimum is 5%. Manifolds on both ends of the side wall have an impact on flow distribution. Maintaining constant rectangular pipe cross section area, flow distribution is most uniform at square cross section area. Circular manifolds is more favorable to flow distribution.Key words: WCSB; Complicated pipes; Flow distribution

2016-11-21

國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)(2014GB122000)，國家自然科學(xué)基金(11375116)

王 迪(1992—)，男，甘肅省蘭州市人，在讀博士研究生，核能與核技術(shù)工程專業(yè)

曹學(xué)武：caoxuewu@sjtu.edu.cn

TL62

A

0258-0918(2016)06-0757-07