交混因子对CHF关系式开发及安全裕量影响研究.pdf

第58 卷第2 期2024年2 月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.2Feb.2024交混因子对CHF关系式开发及安全裕量影响研究刘晨伟1，肖瑶1.2,，张伟1，陈硕，顾汉洋2（1.上海交通大学智慧能源创新学院，上海2 0 0 2 40；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海2 0 0 2 40）摘要：采用最小偏离泡核沸腾比(MDNBR)点法开发了与子通道分析程序FLICA-IF匹配的临界热流密度(CHF)关系式，利用Owen 准则确定了其DNBR限值并进行统计评估。在掌握了一套完整的 CHF关系式开发方法后，对比分析了不同交混因子其对应关系式的预测效果、DNBR限值以及实际最大功率。结果表明：基于实验获得的精确交混因子开发的CHF关系式具有更高的精确度与经济性。因此考虑格架交混效应的精细化子通道的工作是有价值和意义的。关键词：燃料组件；交混因子；CHF关系式；DNBR限值；安全裕量中图分类号：TL33doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0371Influence of Mixing Factor on Safety Marginin CHF Correlation DevelopmentLIU Chenwei,XIAO Yaol.2.*,ZHANG Wei,CHEN Shuo”,GU Hanyang?(1.College of Smart Energy,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract:In the development of critical heat flux(CHF)correlation,the mixing factor(i.e.,the turbulent thermal diffusivity)is a characteristic parameter representing thecross-mixing effect between sub-channels.At present,the mixing factor obtainedthrough the cross-mixing experiment is essentially the macroscopic equivalent quantityof averaging the cross-mixing effect(such as turbulent cross-mixing,flow sweeping,etc.).In fact,the mixing effect caused by the grid will decrease along the downstream,which will lead to a certain deviation in the local parameters calculated by the averagemixing factor.The influence of the deviation on the DNBR limit value of the CHF corre-lation and the safety margin is not clear.Thus,the CHF correlation matching with thesub-channel analysis program FLICA-II F was developed by using the minimum DNBRpoint method.Owen criterion was used to determine the DNBR limit.After achievingthe development methods of CHF correlation,the prediction effect,DNBR limits and文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 931(2 0 2 4)0 2-0 337-0 7收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 4；修回日期：2 0 2 3-0 6-12基金项目：国家自然科学基金（12 0 7 5150 12 2 7 517 4）；上海市青年科技启明星计划*通信作者：肖瑶338actual maximum power of correlations of different mixing factors were compared andanalyzed.The results indicate that in the range of experimental conditions,the localpressure of minimum DNBR point does not change with the change of mixing factor,thelocal mass flow rate increases with mixing factor,and the local quality decreases withthe increase of mixing factor.The deviation of mixing factor will increase the DNBRlimit of its correlation,but there is no linear relationship between the two.Besides,inactual conditions,the maximum power calculated by the correlations of different mixingfactors is different.While the maximum power value of the precise mixing factor is alsothe largest.In conclusion,the more precise mixing factor determined by experiment hashigher accuracy and economy in fitting correlation.Therefore,it is valuable and mean-ingful to consider the fine subchannel of grid mixing effect.Key words:fuel assembly;mixing factor;CHF correlation;DNBR limit;safety margin在反应堆热工水力设计中，为避免燃料元件烧毁，堆芯最小偏离泡核沸腾比（MDNBR)要求不能低于某一限值，因而需准确预测燃料组件的临界热流密度(CHF)2。基于棒束CHF实验数据与子通道程序开发关系式来进行燃料组件CHF的预测是当前工业界的常用方法3。CHF关系式开发过程中,交混因子（即端流热扩散系数)是表征子通道间交混效应的特征参量，当前通过交混实验获得的交混因子，其本质上是对交混效应（如瑞流交混、流动后掠等)平均化处理后的宏观等效量4-5。实际上，格架带来的交混效应会沿下游衰减6，这将导致使用平均化交混因子计算得到的当地参数产生一定偏差，其偏差对CHF关系式DNBR限值以及安全裕量的影响尚不明确。本文以19 组实验数据为基础，完成CHF关系式的初步拟合，利用Owen准则（95/95)7以及统计验证获得了关系式的DNBR限值(1.127),通过对M/P（M 为实验测量的CHF值，P为计算的CHF值）数据以及MDNBR位置的评估8 1,成功验证本文CHF关系式开发方法的正确性。随后基于此方法进一步探究交混因子变化对关系式开发以及安全裕量的影响。1CHF关系式开发验证1.1关系式开发本文开发关系式的实验数据通过 COLUMBIA和OMEGA实验台架获得，包含19个系列共1582个有效的实验数据点，实验数据范围列于表1，其综合考虑了棒束及流道几何结构、棒束原子能科学技术第58 卷径向功率因子、轴向热流密度分布以及交混格架位置与间距等一系列因素，实验参数范围覆盖了核电厂正常运行和预期运行瞬态工况。表1实验数据范围Table 1Range for database experiment数值参数最小值压力，MPa2.07质量流速，Mg/(ms)0.93含气率-0.12水力直径，mm9.40格架间距，m0.26利用子通道分析程序FLICA I F对所有实验工况进行模拟，获得最小DNBR点的当地参数(压力p、质量流速G、含气率X)。同时关系式形式如式（1)所示，将当地参数（p、G、X)的影响分别与几何参数(CHF发生位置与上游格架距离dg、格架间距gsp）的影响作为两整项a(p,G,X,dg)与b(p,G,X,gsp)来考虑,其次对导向管栅元增加修正项c（p，X，g s p，r g）。其中，rg表示是否需要修正导向管栅元，当燃料组件为典型栅元，则rtg=0，修正项不存在，当燃料组件为导向管栅元，则rtg=1，修正项存在。最后对于非均匀热流分布效应，采用非均匀热流分布因子FNUC9I修正余弦功率分布的影响。基于已获取的当地参数（p、G、X)和实验布置的几何参数，求解各项系数，得到完整关系式。关系式适用范围与实验数据范围一致，最大值17.064.790.4211.800.56第2 期同时关系式参数量纲参照表1参数列。之后用关系式重新计算实验工况，得到的CHF值为P,而将实验测量的CHF值记为M,这样就形成了M/P的数据库。QcHF=(a(p,G,X,dg)+b(p,G,X,gsp)+c(p,X,gsp,rg)/FNU(1)1.2DNBR限值确定在确定CHF关系式的DNBR限值前，需对M/P数据进行正态分布检验和ANOVA检验10。正态分布检验，检验M/P数据是否服从正态分布，从而保证结果的可靠性。ANOVA检验，即Analysis of Variance，又称F检验或方差分析，其目的是通过数据分析找出对该事物有显著影响的因素。在通过以上统计检验后，即可进行关系式DNBR限值的计算12 。在正态分布假设下利用Owen准则确定DNBR限值C：C=一-k(,Y,v)s式中：为M/P样本的平均值；s为M/P样本的标准偏差;k(,v)为Owen系数,对应于可能性、置信度和样本自由度。当可能性和置信度都为95%时，可采用下式确定Owen系数：k(v)=（1.6 45+1.6 45 XV1-(1-2.706/(2v-2)X(1-1/)/(1 2.706/(2v2)(3)基于M/P数据,本文利用Owen准则获得的关系式的DNBR限值为1.12 7。1.3M/P数据的评估对M/P数据随当地参数变化的分布进行检验，以确认在整个应用范围内M/P数据分布不存在明显的倾向性。通过对M/P数据的检验，可确定M/P基本在1上下均匀分布，且其分布趋势对热工参数变化不敏感。图1为关系式的P-M分布图。可发现，关系式预测的CHF值与实验结果吻合良好，相对偏差在土15%内。上述M/P的分析结果表明了本文关系式预测的准确性，同时也保证了式(2)计算的 DNBR限值的可靠性。除了关注M和P符合状况外，还需关注关系式预测的MDNBR位置和实验测量烧毁点位置的符合状况，预测率即为工况中预测准刘晨伟等：交混因子对CHF关系式开发及安全裕量影响研究3.53.0F2.5(u/MW)/d2.0F1.5F1.00.50.00.0 0.51.01.52.02.53.0 3.5M/(MW/m)图1关系式的P-M分布图Fig.1 Distribution of P-M for correlation1.4DNBR限值的评估1DNBR限值是CHF关系式的M/P数据(2)在95%可能性和95%置信度（95/95)时的置信下限的倒数。在利用95/95准则确定了关系式的DNBR限值后，还需验证确实只有小于5%的数据点落在置信下限以外13，统计结果列于表2。表2 M/P数据库的统计结果Table 21M/P data statistical result实验组类别数据点典型栅元1301导向管栅元281全部数据1582统计对比发现，对于M/P数据，关系式的DNBR限值1.12 7 能保证M/P数据中的每组都满足只有小于5%的数据点落在置信下限0.8873以外。因此CHF关系式开发流程正确无误。将该关系式作为基准关系式，便于与交混因子改变而产生的新关系式进行对比。2交混因子对关系式开发的影响在成功验证关系式开发方法后，便可探究在CHF关系式开发过程中交混因子的影响特性。基准关系式开发过程中，交混因子为0.0 6 6，该339确点个数占实验点个数的百分比。计算预测率时，引进了4%的允许实验误差，经计算可得关系式预测率为8 1.5%,具有较高的准确度。-15%上1+15%M/PB-0.0861.61.4F1.21.00.80.60.4L0.20.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2实际最大功率(=0.066)/(MW/m)2）交混因子的偏差会使得其对应关系式的DNBR限值变大，但与偏差大小无关，二者不呈线性关系；3）在实际工况下，不同交混因子对应的关系式计算所能达到的最大功率值不同，同时精确的交混因子,其实际最大功率值也最大。因此在开发关系式过程中，应尽量确保交混因子的精确度，对交混效应更为准确地描述将挖掘出更大的安全裕量，预测精度和经济性也随之提升。同时也说明了开发精细描述格架下游交混效应的子通道模型与方法具有其价值与意义。0.0660.0560.050.06交混因子b区0.0860.0.760.070.080.09第2 期参考文献：1 朱继洲核反应堆安全分析M西安：西安交通大学出版社，2 0 0 0：1 0 0-1 50.2于平安核反应堆热工分析M上海：上海交通大学出版社，1 9 8 0：1 55-1 9 8.3TONG L S,TANG Y S.Boiling heat transferand two-phase flowM.2nd ed.Washinfton D.C.:Taylor&Francis,1997:366-401.4曹念，郎雪梅，卢冬华，等，燃料组件单相交混系数试验研究J核动力工程，2 0 0 9，30（5）：2 2-25.CAO Nian,LANG Xuemei,LU Donghua,et al.Experimental research on mixing coefficient offuel assembly in single-phaseJ.Nuclear PowerEngineering,2009,30(5):22-25(in Chinese).5MOTLEY F E,WENZEL A H,CADEK F F.The effect of 17 X 17 fuel assembly geometry oninterchannel thermal mixing,WCAP-8298R.USA:WCAP,1975.6曲文海，陈仕龙，黄慧剑，等定位格架下游湍流特性测量研究J原子能科学技术，2 0 2 2，56(6):1 129-1.137.QU Wenhai,CHEN Shilong,HUANG Huijian,et al.Experimental study on turbulence charac-teristic 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