核電作為一種高效的清潔能源受到了能源行業的青睞，并逐漸成為一種重要的能源生產方式。壓力容器中的堆芯是熱能產生的部位，也是反應堆的關鍵部件之一，其熱工水力特性直接關系到燃料元件的冷卻效率及安全問題，因此重點研究方向之一。在極端情況下，燃料組件子通道可能因為棒束腫脹、異物堆積等發生通道堵流現象，發生傳熱惡化，甚至超溫、堆芯融化等危險工況，因此有必要開展相關研究。采用實驗與數值模擬手段測量、模擬堵流情況下的子通道流場分布、獲取子通道流量分布特性可以充分發揮實驗與模擬優勢。本文利用激光粒子測速方法測量了5×5棒束堵塞情況下子通道的流場分布特性以及子通道流量分布特性，并基于國內首款核工業多質多相流體動力學計算分析軟件“麒麟”軟件和商用CFD軟件進行了堵流現象的數值模擬，結合實驗結果分析棒束子通道堵流特性。

1 實驗裝置簡介
本次研究首先采用可視化試驗方法對堵流情況下5×5棒束組件子通道流場進行了測量，實驗回路如圖1所示，主要包括實驗本體、水箱、主泵、流量計、閥門和測控儀表等。

圖1 棒束組件內流場分布試驗回路流程圖

圖2a所示為實驗本體結構示意圖，本體主體為四面可視的矩形通道結構，進出口有穩流裝置，內部放置5×5棒束組件。組件由支撐段和測量段組成，支撐段為硬質材料，測量段為薄壁FEP管，以最大程度接近水的折射率。堵流件安裝在FEP管外，堵流區域如圖2c所示為3×3棒束區域，中間通道堵流比例最大，5×5棒束截面的總堵流比例為72%。堵流件安裝位置距入口大于40D，距出口距離也在20D以上，以最大程度減弱入口和出口效應。測量區域約為20D。

圖2 實驗本體及棒束組件結構示意圖

如圖2c所示，棒束組件由5×5棒組成，測量段為外徑9.5mm，中心距為12.6mm的FEP管。PIV面激光以XZ平面照射測量區域，高速相機則沿Y方向拍攝。采用跨幀模式進行圖像采集，然后使用專業軟件進行速度場計算，即獲得了測量區域的流場分布。相機拍攝幀率為15Hz,每次針對同一工況拍攝200組以上照片，然后求取平均流場。

2 數值模擬方法
數值模擬基于核工業多質多相流體動力學計算分析軟件“麒麟”進行，該軟件采用浸入界面方法進行網格劃分，基于NS方程求解流場、溫度場、壓力場等流體力學問題。該軟件支持常見CAD軟件三維幾何模型的導入然后進行IST方法的笛卡爾網格劃分，之后進行邊界條件設置、模型設置、求解設置等，最后進行迭代求解和后處理。該流場計算軟件可以基于Windows和Linux系統進行，二者求解方式沒有任何區別，本次求解基于Windows系統進行。
圖3所示為本次模擬的三維幾何和網格劃分示意圖。圖3a所示為浸入界面法的基本原理，即在網格劃分時不區分流體與固體域，使用流固界面符號距離函數Φs來數值地區分流體與固體域，在求解NS方程時，通過引入Heaviside函數

自動地區別流體與固體域。該函數在流體內等于1，在固體內等于0，在界面上等于0.5。帶堵流件的棒束幾何由三維CAD軟件根據實驗裝置尺寸測量結果建立，然后導入“麒麟”軟件中進行網格劃分，圖3b固體域即是繪制的棒束三維幾何。劃分網格時直接根據試驗裝置矩形流道大小繪制矩形流體域，即圖3c中背景網格，這樣三維幾何就“浸沒”在背景網格中（流體域）。之后基于重疊網格技術在堵流件區域添加加密的子網格對堵流塊進行加密，以提高堵流件區域流場解析精度。本次模擬主要針對堵流件上下游總計約9D的范圍，為了避免入口效應，也繪制了堵流件上游10D的網格。網格無關性分析表明使用總量約50萬的網格可以實現網格無關。

圖3 采用浸入界面法時網格劃分示意圖

本次模擬針對實驗工況，因此所涉及的模型為冷態流動，模擬為穩態模擬，主要求解X、Y、Z三個方向的速度以及壓力。模擬邊界條件為流量入口，流量、壓力、溫度根據實驗測量結果設置，模擬中迭代計算到殘差小于1e-5或者不再減小為止。

3 結果及分析
3.1 流場測量結果
本次實驗中維持進口流量穩定在約14t/h，對應的水平截面平均質量流速約1566 kg/m2/s。實驗中測量了堵流件上下游約7D范圍內棒束中心豎直截面、子通道豎直中心截面的流場。測量得到的典型豎直截面流場圖如所示，圖中示出了C1和C2通道在不安裝和安裝堵流件時的上下游流場測量結果。在沒有堵流件的正常狀態下，堵流件所在位置上下游流場基本都以本子通道的豎直流動為主，流場未發生偏斜，不同子通道流速分布相似。在堵流情況下，C1和C2都出現了流場偏斜和流速不均的情況。對照圖1可知C1子通道豎直截面僅有一半流場被堵流件遮擋，因此可見其流場所受影響較小，僅堵塊下游少量流場受影響。對于C2，被堵塞的通道區域較寬，因此可以發現橫向位置1和2所在區域堵流件下游出現了流速很低的區域，未堵塞子通道流速則出現明顯增大，表明堵塞對流場影響很大。

圖4 不同狀態下堵流件上下游豎直截面流場典型結果

為了直觀地分析堵流對子通道流速的影響，這里使用速度不均勻指數來量化。該指數計算為求某豎直截面高度Z處絕對速度值與截面平均速度的均方根。圖5所示為根據實驗測量結果得到的通道C1、C2、C3、C4在不同高度處的速度不均勻指數，其中曲線所在位置為堵流件，軸向位置0為堵流件軸向中心位置。可以發現通道C1和C4的速度不均勻指數變化較小，僅在虛線所示堵流件區域出現了較小的增加，并很快恢復正常，表明其受堵流件的影響較小，冷卻劑可以正常流動。而通道C2和C3速度不均勻指數在堵流件處出現了較大的增加，而后緩慢減小；并且速度不均勻指數在堵流件上游1D處已經開始增加，表明其對流場的影響在上游1D處已經開始。雖然在堵流件下游約3D以后速度不均勻指數下降較緩，但仍未恢復到堵流前水平。上述結果表明堵流件對流速產生了較大影響，實驗結果表明在堵流通道，在截面平均質量流速約1500kg/m2/s下，堵流通道下游2D距離處內堵塞子通道平均流速僅為截面平均流速的60%；5D距離處恢復到截面平均流速約85%。

圖5 速度不均勻指數隨Z變化曲線

3.2 模擬結果及分析
使用前述數值模擬方法進行數值迭代求解可以得到5×5棒在堵流情況下的模擬結果，本次研究也使用商業CFD軟件進行了模擬，二者網格總數、湍流模型、邊界條件等相同，以對比數值分析軟件與商業CFD軟件。圖6所示為C1、C2豎直截面的流場圖，圖中灰色框部分為堵流件所在位置。對于C1，子通道堵塞比例為10%~20%，小于C2通道的20~40%，因此流場受到的影響較小。C2通道在堵流件區域因子通道堵塞出現了明顯的流速降低，在堵流件下游形成了低速區，這與試驗測量結果吻合。比較“麒麟”軟件和商用CFD軟件結果，可以發現二者流場分布十分接近。

圖6 模擬所得堵流情況下豎直截面流場典型結果

為了更加直觀地對比“麒麟”軟件和商用CFD軟件差別，提取了堵流件下游不同距離處試驗與模擬結果繪制成圖7所示曲線圖。圖中分別對比了堵流件下游0.5D和2D距離處實驗與模擬結果，可以看出在兩種距離處實驗與模擬值的匹配性很好，同時也可以看出“麒麟”軟件的模擬結果與商用CFD軟件的結果十分接近，表明其流場模擬能力與商用CFD軟件接近。

圖8計算了模擬結果與實驗結果的均方根誤差，圖中橫坐標表示下游計算位置與堵流件位置的距離。可以看出，在堵流件2D范圍內模擬值與實驗值的均方根誤差比更遠距離的明顯大，表明模擬與試驗偏差比其他區域大，這可能是采用RANS湍流模型的導致堵流件緊鄰流場的強湍流區域解析能力不足導致的。整體而言，“麒麟”軟件的均方根誤與商業CFD軟件在走勢和值上十分接近。

圖8 模擬均方根誤差對比圖

4結論

本文基于棒束子通道流場可視化實驗裝置和5×5棒束子通道堵流實驗本體獲得了子通道堵流72%比例下的上下游流場分布，并使用“麒麟”軟件對堵流情況下的子通道流場進行了數值模擬分析。本文獲得的主要結論為：子通道堵流約72%情況下，堵塞子通道上游約1D范圍流場開始受到明顯影響；堵流通道下游2D距離處內堵塞子通道平均流速僅為截面平均流速的60%；5D距離處恢復到截面平均流速約85%。基于浸入界面方法的“麒麟”軟件能夠對堵流情況下的棒束子通道流場進行合理模擬，其模擬結果與商用CFD軟件相當。

“麒麟KILI”是中國核動力研究設計院研發的國內首款核工業多質多相流體動力學計算分析軟件，該軟件填補了國內核工業自主研發計算流體動力學軟件的空白，實現了關鍵軟件技術的自主可控。上海積鼎信息科技有限公司為麒麟KILI軟件開發唯一合作單位。

審核編輯 黃宇