某型反应堆冷却系统流场优化

项目背景与安全要求

某型压水堆核电站在满功率运行工况下，反应堆冷却剂系统（RCS）的下行旁通流量偏大，导致堆芯有效冷却流量不足，局部热点温度逼近安全限值。业主委托我方对冷却系统内部流场进行全尺度 CFD 仿真分析，找出流量分配不均的根因并提出优化方案。

项目须严格遵循 HAF 003 质量保证要求及 NB/T 20419 等标准的热工水力设计准则，所有计算工况覆盖正常运行、功率瞬变及假想事故三类场景。

几何建模与网格生成

基于业主提供的 P&ID 图纸与设备总装图，采用 通用三维 CAD 软件对反应堆压力容器、下降段环形腔、下腔室、堆芯支撑板及燃料组件格架进行全尺度三维建模。

网格策略

• 核心流域采用六面体主导网格，燃料棒间隙处局部加密至 0.5 mm
• 格架弹簧与搅混翼区域使用 O-grid 拓扑，y+ 控制在 30 以内
• 下降段与下腔室大尺度区域采用多面体网格，总网格量约 4800 万

边界条件与物理模型

湍流模型选用 Realizable k-ε 搭配增强壁面处理，工质为高温高压液态水（298 bar、325°C），物性按 IAPWS-IF97 查表插值。

结果分析与优化建议

• 在下腔室增设导流板，将旁通流量占比从 12% 降至 5%
• 优化堆芯围筒支撑柱外形，降低局部阻力系数约 23%
• 调整格架搅混翼角度至 28°，增强横向混合、降低热点因子

经优化方案验证计算，堆芯出口温度分布不均匀性由 ΔT=15°C 降至 ΔT=8°C，整体冷却效率提升约 18%，DNBR 裕量满足所有安全工况要求。