2024年3月23日发(作者：宝豫)
科学研究创新
DOI：10.16660/.1674-098X.2209-5640-2673
2022 NO.26
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小型模块化反应堆一回路流动阻力仿真计算
路远 肖常志 黄源彬 王雷剑 沈格宇
（中国原子能科学研究院 北京 102413）
摘 要： 小型模块化反应堆是以液体重金属铅铋合金作为冷却剂的快中子反应堆，具有功率密度大、固有安
全性好、系统简单、更易实现长寿期等特点，特别是小型模块化反应堆在安全性、可靠性、经济性和可行性等
方面的显著优势，使其具有非常广泛和灵活的应用场景。同时，反应堆一回路流动阻力特性是堆内相关设备
设计和一回路自然循环验证的关键输入，是衡量反应堆固有安全性的重要指标。本文对小型模块化反应堆
堆本体及一回路流动阻力进行仿真建模并计算分析，该堆本体及一回路系统为一体化池式布置，基于铅铋冷
却剂的物理特性和流动过程，利用CFD软件，构建了堆本体中主泵、分配器、堆芯及堆内构件的三维模型，模
拟计算了铅铋冷却剂在堆容器内的流动过程，计算结果表明，铅铋冷却剂在采用池式布置的一回路系统中阻
力较小、流动特性较好，其计算结果可为堆容器、主泵和主换热器等一回路设备的优化设计提供可靠的数据
支撑。
关键词：一 回路水力特性 小型模块化反应堆 仿真建模 计算分析 一体化池式布置
中图分类号： TL334文献标识码： A文章编号：1 674-098X(2022)09(b)-0021-08
Simulation Calculation of Primary Flow Resistance
of Small Modular Reactor
LU Yuan XIAO Changzhi HUANG Yuanbin WANG Leijian SHEN Geyu
( China Institute of Atomic Energy, Beijing, 102413 China )
Abstract: The small modular reactor is a fast neutron reactor with liquid heavy metal lead-bismuth alloy as cool‐
ant. It has the characteristics of high power density, good inherent safety, simple system and easy to achieve long life.
In particular, small modular liquid metal reactor has significant advantages in safety, reliability, economy and feasi‐
bility, so that it has very wide and flexible application scenarios. At the same time, the study of primary flow resis‐
tance is critical input to the design of the equipment and primary circuit natural circulation in the reactor，and it is
an important index to measure the inherent safety characteristics of the reactor. In this paper, the primary flow resis‐
tance of non-nuclear integrated devices for small modular lead-bismuth reactor is simulated and analyzed, and the
primary circuit structure of the reactor is an integrated pool arrangement. Based on the physical characteristics and
flow process of lead-bismuth coolant, CFD software is used to build three-dimensional models of primary pump,
distributor, core and internal components in the reactor, and the flow process of lead-bismuth coolant in the reactor
is simulated. The results show that the lead-bismuth coolant has preferable flow characteristics in the primary circuit
system,and these can provide reliable data support for the design of equipment such as primary pump and primary
heat exchanger.
Key Words: Primary flow resistance; Small modular reactor; Modeling and simulation; Calculation and analysis;
Integrated pool layout
作者简介：路远（1990—），男，硕士，工程师，研究方向为液态金属反应堆总体设计。
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小型模块化反应堆是以液态铅铋合金作为冷却剂
的快中子反应堆，具有功率密度大、固有安全性好、系
统简单、更易实现长寿期等特点，特别是小型模块化铅
铋反应堆在安全性、可靠性、经济性和可行性等方面的
［1-3］
显著优势，使其具有非常广泛和灵活的应用场景。
本文以反应堆堆本体为仿真计算对象，对堆本体
及一回路进行水力计算，得出额定工况下堆本体及一
回路系统的流动阻力，为反应堆一回路主泵等设备的
［4-5］
设计提供计算输入。
1 堆本体及一回路模型
小型模块化铅铋堆堆芯热功率为6MW，发电功率
不小于1.0MW，其采用两环路设计，通过铅铋与水进行
换热，产生的高温蒸汽推动汽轮机发电，其主要技术参
数如表1所示。
表1 铅铋堆主要技术指标
图1 小型模块化反应堆堆本体及一回路示意图
序号
1
2
3
4
5
6
7
参数
冷却剂介质
堆芯进口温度
堆芯出口温度
设计温度
设计压力
一回路流量
气腔工作压力
单位
℃
℃
MPa
MPa
kg/s
℃
/
数值
铅铋共晶合金
280~340
425~485
500
0.7
≤400
2 数学物理模型
2.1 流体基本方程
本计算模型包括基本的流动问题、湍流、换热问
［6-10］
题。在定常条件下，流动可以用以下方程描述。
2.1.1 连续性方程
0.05（表压）
2.1.2 动量守恒方程
div(ρU)=0
（1）
对于反应堆来说，堆本体及一回路系统是反应堆
的核心系统，它能在正常运行时将堆芯产生的热量带
出并传给二回路，在事故工况下，与其他相关系统联合
作用，排出堆芯余热。反应堆一回路系统采用一体化
池式布置，即反应堆堆芯、一回路主泵和换热器都放置
在反应堆堆容器内，如图1所示，该布置形式将一回路
分割成两部分，分别为热池和冷池。一回路主泵位于
冷池中，反应堆堆芯、一回路换热器则连接了热池和冷
池。冷池内的冷却剂铅铋合金通过一回路主泵加压，
经冷池内的流道或者专用的压力管道打入堆芯，冷却
堆芯组件之后进入热池，经热池内的流道流入一回路
换热器，将热量传递给二回路后回到冷池，从而完成了
一次流动循环。
考虑到堆本体及一回路模型过大，建立6条独立
的仿真区域，分别进行压降计算：（1）泵吸入口；（2）压
力管；（3）壁面冷却流道；（4）分配器；（5）堆芯至热池流
场；（6）热池出口至换热器入口。仿真时，不同流场区
域单独处理计算，考虑到堆本体及一回路中流场呈现
一定的对称性，部分区域为简化计算，建立了1/4模型。
22
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u
、
v
、
w3个方向动量方程分别如下：
∂u1∂p
+div(uU)=div(vgradu)-
ρ
∂x∂t
∂v1∂p
+div(vU)=div(vgradv)-
ρ
∂y∂t
（2）
2.1.3 k-ε湍流方程
ρ
∂w1∂p
+div(wU)=div(vgradw)-
ρ
∂z∂t
∂u
j
∂K∂K∂
μ
∂K∂u∂u
+ρu
j
=[(μ+
t
)]+μ
t
i
(
i
+)-
σ
k
∂x
j
∂t∂x
j
∂x
j
∂x
j
∂x
j
∂x
i
ρε
k方程（紊流脉动动能方程）：
（3）
ρ
∂ε∂K∂
μ
∂ε
cε
∂u∂u
+ρu
k
=[(μ+
t
)]+
1
μ
t
i
(
i
+
σ
ε
∂x
k
K
∂t∂x
k
∂x
k
∂x
j
∂x
j
∂u
j
ε
2
)-c
2
ρ
K
∂x
i
ε方程（紊流脉动动能耗散率方程）：
（4）
2.1.4 能量方程：
S
T
¶
(
r
T)k
+
div(
r
vT)
=
div(gradT)
+
¶
tc
p
c
p
（5）
铅铋合金主要物性参数见表2。
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温度/℃
175
285
425
485
新
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表2 铅铋合金主要物性参数
求和，得到该系统的总压降。对于闭合系统，在等温和
近似等温流动时，不考虑流体重力压降。
根据实际运行工况设置边界条件，其中，所有入口
为质量流量边界条件，所有出口设置为常压条件，为保
证裕量，堆芯总流量仍按照288kg/s考虑，如表4所示。
0.002659
0.001908
0.001455
0.001335
序号
1
2
3
4
密度（/kg/m
3
）
10503.0272
10357.4312
10172.1272
10092.7112
粘度（/Pa•s）
3 仿真计算
3.1 泵吸入口段
计算结果显示，泵进出口截面的总压差约为
2000Pa。
3.2 压力管段
进出口截面的总压差约为700Pa。
3.3 壁面冷却流道
进出口截面的总压差约为450Pa。
3.4 分配器段
小部分流量由壁面冷却流道流至冷池，大部分流
量由加热区域流至热池，极小部分流量由盒间区域流
2.2 仿真相关设置说明
（1）计算选用k-ε湍流模型，流体物性密度随温度
变化，具体参数见表2，并开启重力作用，考虑密度差
引起的对流问题。
（2）考虑到铅铋流体的普朗特数小，与常规流体差
异较大，故参考Cheng
［11］
等在文献中的关系式，对k-ε
模型中的Energy Prandtl数进行修正。
（3）考虑到热池温度变化幅度不大，为计算量简
化，铅铋的密度、粘度、导热系数与比热容设置为固定
值，参考表2，取工况温度范围内的平均值。
（4）仿真中，不考虑泵流量波动等时间相关因素，
至热池。
以中心加热盒为标准，进出口截面的总压差约为
按全程稳态运行考虑。
（5）在计算时，将各部分出口适当拉长，以避免计
算不稳定出现的出口回流问题。
（6）热池上方的氩气空间按照非流动区域考虑，物
性采用氩气物性。
2.3 计算网格处理
为降低数值耗散，获得高精度的数值计算结果，采
用分区域网格划分方法对模型进行空间离散，结果如
图2所示。表3为网格划分相关参数。
2.4 计算边界条件
系统的结构特点分成若干管段（节点），对每一段
单独计算压降。在进行计算之前，还要根据系统的结
构判断压降的类型，选取合适的计算公式，把每个节点
（管段）的各类压降求出后再叠加，最后对各管段压降
Elements
598675
532397
5338779
4249417
14420684
7314510
10000Pa。
3.5 堆芯至热池流场段
以中心加热盒为标准，进出口截面的总压差为
7500Pa。
3.6 热池出口至换热器入口段
进出口截面的总压差为1600Pa。
换热器本身流动阻力由厂家设计提供，总压差约
15000Pa。
3.7 流动阻力汇总
整个流道的总压降具体如表5所示，共计37
250Pa，其中，换热器压降占比最大，为40.27%；其次为
分配器，占比26.85%；壁面冷却流道阻力最小。
Max Skewness
0.86849
0.82707
0.84882
0.849
0.90383
0.85876
表3 网格划分情况表
位置
泵吸入口
压力管
壁面冷却流道
分配器
堆芯至热池流场
热池出口至换热器入口
Average quality
0.84
0.84
0.84
0.79
0.78
0.85
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①泵吸入口
②压力管
③壁面冷却流道
④分配器
⑤堆芯至热池流场
⑥热池出口至换热器入口
图2 网格划分示意图
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仿真区域
新
表4 计算边界条件
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数值
MPa
MPa
kg/s
MPa
kg/s
MPa
kg/s
MPa
kg/s
MPa
kg/s
kg/s
泵吸入段入口质量入口
泵吸入段出口压力出口
压力管入口质量入口
压力管出口压力出口
壁面冷却通道入口质量入
口
壁面冷却通道出口压力出
口
157.5（单台泵）
157.5（单台泵）
0
2.5（1/4模型）
0
16.98（内圈加热每盒）
剩余流量分配在其他盒
14.35（外圈加热每盒）
0
共72（1/4模型）
0
单位
堆芯区域入口质量入口
堆芯区域出口压力出口
分配器入口质量入口
分配器出口压力出口
热池至换热器段入口质量
入口
热池至换热器段出口压力
出口
根据壁面冷却通道和堆芯区域的阻力降计算结果，分别设置在分配器的不
同出口位置
72（1/4模型）
0
75.75（1/4模型）
a. 泵吸入口位置静压分布云图b. 泵吸入口位置速度云图
图3 泵吸入口计算云图
4 结语
本文首先介绍了小型模块化铅铋堆堆本体的结构
及一回路系统主要工作原理，并对堆本体进行分区域
建模，给出了一回路流道摩擦阻力降的计算过程。本
文的结论主要有如下2点。
（1）采用k-ε湍流方程和简化模型，采用分区域压
降仿真计算，得出非核集成测试装置一回路总压降为
37250Pa。
（2）堆本体及一回路流动总阻力较小，其中，换热
器压降损失较大，占总阻力的40.27%，是整个堆本体
及一回路系统中需要重点优化的设备，同时为堆容器、
主泵等其他一回路设备优化设计提供了数据支撑。
（3）本文计算结果为堆本体及一回路系统自然循
环能力验证提供了可靠的数据支撑。
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a. 压力管位置静压分布云图
b. 压力管位置速度云图
图4 压力管段计算云图
a. 壁面冷却位置静压分布云图
b. 壁面冷却位置速度云图
图5 壁面冷却流场段计算云图
a. 分配器位置静压分布云图
b. 分配器位置速度云图
图6 分配器段计算云图
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a. 堆芯位置静压分布云图b. 堆芯截面静压分布云图
图7 堆芯至热池流场段计算云图
c. 堆芯截面速度分布云图
a. 热池位置静压分布云图
表5 总阻力损失
b. 热池位置速度云图
图8 热池出口至换热器入口段计算云图
[3]杨若楠,彭天骥,秦长平,等.铅基反应堆自然循环与
应急余热排出研究[J].原子核物理评论,2020,37(1):
109-118.
2000
700
450
位置
泵吸入口
压力管
壁面冷却流道
分配器
堆芯至热池流场
热池区域至换热器入口
换热器
全程
阻力降／Pa
[4]张光雨.铅基实验堆热工水力实时仿真及动态特性
分析[D].合肥:中国科学技术大学,2017.
[5]魏诗颖,王成龙,田文喜,等.铅基快堆关键热工水力
问题研究综述[J].原子能科学技术,2019,53(2):
[6]
326-336.
OECDNEA nuclear science committee.铅与铅铋共
晶合金手册:性能、材料相容性、热工水力学和技术
[M].戎利建,张玉妥，陆善平，等.译.北京:科学出版
社,2014.
赵鹏程.小型自然循环铅冷快堆SNCLFR-100一回
路主冷却系统热工安全分析[D].合肥：中国科学技
术大学,2017.
许义军.中国实验快堆钠池三维热工水力分析[D].
北京：中国原子能科学研究院,2003.
魏诗颖,王成龙,苏光辉,等.铅铋冷却沸水快堆热工
水力系统安全分析程序开发[J].核动力工程,2018,
39(4):67-70.
27
10 000
7500
1600
15000
36 800
（4）铅铋冷却剂在采用池式布置的一回路系统中
阻力较小、流动特性较好流动，堆本体及一回路系统结
构设计合理可行。
[7]
[8]
[9]
参考文献
[1]李宗洋,郭慧芳,赵畅,等.国外铅铋堆发展及军事应
用[J].国外核新闻,2020（7）:29-31.
物理知识,2018,30(4):35-39.
[2]吴宜灿.铅基反应堆研究进展与应用前景[J].现代
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[10]刘志鹏,王成龙,张大林,等.运动条件下铅铋反应堆
热工水力特性研究[J].原子能科学技术,2021,55(5):
811-822.
[11]CHEN Z，CHEN XN，RINEISKI A，et ng a
CFD code with neutron kinetics and pin thermal mod⁃
els for nuclear reactor safety analyses[J].Ann Nucl En⁃
ergy,2015(83)：41−49.
(上接第20页）
图10 腹板高度、顶缘宽度、底缘宽度和腹板厚度对承载效率的影响
腹板高度取某一特定值时，承载效率达到最大，腹板
外补修理[J].机械工程师,2022(4):82-84,87.
高度过高或过低都会导致承载效率的降低；对于“I”
[3]杨鸽,苗志桃,张博平.复合材料长桁末端拉伸数值
分析与试验[J].科学技术创新,2022(4):49-52.
型长桁，壁板结构承载效率随着腹板高度增加而升
[4]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册.第9册：
高。
载荷、强度和刚度[M].北京:航空工业出版社,2001.
（2）长桁底缘宽度与壁板承载效率整体上呈负
[5]石经纬,赵娟,刘传军,等.复合材料翼面壁板轴压稳
相关。
定性[J].复合材料学报,2020,37(6):13.
（3）在蒙皮/长桁刚度比满足一般设计要求的情况
[6]党举红.大型飞机翼面类复材结构的减重分析[C].
下，长桁的整体加强将提升壁板结构的承载效率。
第二十一届全国复合材料学术会议（NCCM-21)论
（4）“T”型长桁壁板结构承载效率随着腹板插层厚
文集.,2020:68-72.
度的增加而升高，有无底板层对于“T”型长桁壁板承载
[7]中国航空研究院.复合材料结构稳定性分析指南
效率的影响较小。
[M].北京:航空工业出版社,2002.
（5）“I”型长桁壁板结构承载效率随着顶缘宽度的
增加而升高。
[8]CMH-17协调委员会,汪海,沈真.复合材料手册[M].
上海:上海交通大学出版社,2015.
参考文献
[1]林小凤.通用航空业发展瓶颈与对策研究[J].中国
[9]吕媛波,张文东.双光束激光焊钛合金加筋壁板
压缩稳定性分析与试验验证[J].工程与试验,2019,
设备工程,2019(19):203-204.
59(3):25-27,37.
[2]魏士礼,赵艳秦.民用飞机复合材料翼盒蒙皮损伤
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摘 要： 小型模块化反应堆是以液体重金属铅铋合金作为冷却剂的快中子反应堆，具有功率密度大、固有安
全性好、系统简单、更易实现长寿期等特点，特别是小型模块化反应堆在安全性、可靠性、经济性和可行性等
方面的显著优势，使其具有非常广泛和灵活的应用场景。同时，反应堆一回路流动阻力特性是堆内相关设备
设计和一回路自然循环验证的关键输入，是衡量反应堆固有安全性的重要指标。本文对小型模块化反应堆
堆本体及一回路流动阻力进行仿真建模并计算分析，该堆本体及一回路系统为一体化池式布置，基于铅铋冷
却剂的物理特性和流动过程，利用CFD软件，构建了堆本体中主泵、分配器、堆芯及堆内构件的三维模型，模
拟计算了铅铋冷却剂在堆容器内的流动过程，计算结果表明，铅铋冷却剂在采用池式布置的一回路系统中阻
力较小、流动特性较好，其计算结果可为堆容器、主泵和主换热器等一回路设备的优化设计提供可靠的数据
支撑。
关键词：一 回路水力特性 小型模块化反应堆 仿真建模 计算分析 一体化池式布置
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( China Institute of Atomic Energy, Beijing, 102413 China )
Abstract: The small modular reactor is a fast neutron reactor with liquid heavy metal lead-bismuth alloy as cool‐
ant. It has the characteristics of high power density, good inherent safety, simple system and easy to achieve long life.
In particular, small modular liquid metal reactor has significant advantages in safety, reliability, economy and feasi‐
bility, so that it has very wide and flexible application scenarios. At the same time, the study of primary flow resis‐
tance is critical input to the design of the equipment and primary circuit natural circulation in the reactor，and it is
an important index to measure the inherent safety characteristics of the reactor. In this paper, the primary flow resis‐
tance of non-nuclear integrated devices for small modular lead-bismuth reactor is simulated and analyzed, and the
primary circuit structure of the reactor is an integrated pool arrangement. Based on the physical characteristics and
flow process of lead-bismuth coolant, CFD software is used to build three-dimensional models of primary pump,
distributor, core and internal components in the reactor, and the flow process of lead-bismuth coolant in the reactor
is simulated. The results show that the lead-bismuth coolant has preferable flow characteristics in the primary circuit
system,and these can provide reliable data support for the design of equipment such as primary pump and primary
heat exchanger.
Key Words: Primary flow resistance; Small modular reactor; Modeling and simulation; Calculation and analysis;
Integrated pool layout
作者简介：路远（1990—），男，硕士，工程师，研究方向为液态金属反应堆总体设计。
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的快中子反应堆，具有功率密度大、固有安全性好、系
统简单、更易实现长寿期等特点，特别是小型模块化铅
铋反应堆在安全性、可靠性、经济性和可行性等方面的
［1-3］
显著优势，使其具有非常广泛和灵活的应用场景。
本文以反应堆堆本体为仿真计算对象，对堆本体
及一回路进行水力计算，得出额定工况下堆本体及一
回路系统的流动阻力，为反应堆一回路主泵等设备的
［4-5］
设计提供计算输入。
1 堆本体及一回路模型
小型模块化铅铋堆堆芯热功率为6MW，发电功率
不小于1.0MW，其采用两环路设计，通过铅铋与水进行
换热，产生的高温蒸汽推动汽轮机发电，其主要技术参
数如表1所示。
表1 铅铋堆主要技术指标
图1 小型模块化反应堆堆本体及一回路示意图
序号
1
2
3
4
5
6
7
参数
冷却剂介质
堆芯进口温度
堆芯出口温度
设计温度
设计压力
一回路流量
气腔工作压力
单位
℃
℃
MPa
MPa
kg/s
℃
/
数值
铅铋共晶合金
280~340
425~485
500
0.7
≤400
2 数学物理模型
2.1 流体基本方程
本计算模型包括基本的流动问题、湍流、换热问
［6-10］
题。在定常条件下，流动可以用以下方程描述。
2.1.1 连续性方程
0.05（表压）
2.1.2 动量守恒方程
div(ρU)=0
（1）
对于反应堆来说，堆本体及一回路系统是反应堆
的核心系统，它能在正常运行时将堆芯产生的热量带
出并传给二回路，在事故工况下，与其他相关系统联合
作用，排出堆芯余热。反应堆一回路系统采用一体化
池式布置，即反应堆堆芯、一回路主泵和换热器都放置
在反应堆堆容器内，如图1所示，该布置形式将一回路
分割成两部分，分别为热池和冷池。一回路主泵位于
冷池中，反应堆堆芯、一回路换热器则连接了热池和冷
池。冷池内的冷却剂铅铋合金通过一回路主泵加压，
经冷池内的流道或者专用的压力管道打入堆芯，冷却
堆芯组件之后进入热池，经热池内的流道流入一回路
换热器，将热量传递给二回路后回到冷池，从而完成了
一次流动循环。
考虑到堆本体及一回路模型过大，建立6条独立
的仿真区域，分别进行压降计算：（1）泵吸入口；（2）压
力管；（3）壁面冷却流道；（4）分配器；（5）堆芯至热池流
场；（6）热池出口至换热器入口。仿真时，不同流场区
域单独处理计算，考虑到堆本体及一回路中流场呈现
一定的对称性，部分区域为简化计算，建立了1/4模型。
22
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u
、
v
、
w3个方向动量方程分别如下：
∂u1∂p
+div(uU)=div(vgradu)-
ρ
∂x∂t
∂v1∂p
+div(vU)=div(vgradv)-
ρ
∂y∂t
（2）
2.1.3 k-ε湍流方程
ρ
∂w1∂p
+div(wU)=div(vgradw)-
ρ
∂z∂t
∂u
j
∂K∂K∂
μ
∂K∂u∂u
+ρu
j
=[(μ+
t
)]+μ
t
i
(
i
+)-
σ
k
∂x
j
∂t∂x
j
∂x
j
∂x
j
∂x
j
∂x
i
ρε
k方程（紊流脉动动能方程）：
（3）
ρ
∂ε∂K∂
μ
∂ε
cε
∂u∂u
+ρu
k
=[(μ+
t
)]+
1
μ
t
i
(
i
+
σ
ε
∂x
k
K
∂t∂x
k
∂x
k
∂x
j
∂x
j
∂u
j
ε
2
)-c
2
ρ
K
∂x
i
ε方程（紊流脉动动能耗散率方程）：
（4）
2.1.4 能量方程：
S
T
¶
(
r
T)k
+
div(
r
vT)
=
div(gradT)
+
¶
tc
p
c
p
（5）
铅铋合金主要物性参数见表2。
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温度/℃
175
285
425
485
新
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表2 铅铋合金主要物性参数
求和，得到该系统的总压降。对于闭合系统，在等温和
近似等温流动时，不考虑流体重力压降。
根据实际运行工况设置边界条件，其中，所有入口
为质量流量边界条件，所有出口设置为常压条件，为保
证裕量，堆芯总流量仍按照288kg/s考虑，如表4所示。
0.002659
0.001908
0.001455
0.001335
序号
1
2
3
4
密度（/kg/m
3
）
10503.0272
10357.4312
10172.1272
10092.7112
粘度（/Pa•s）
3 仿真计算
3.1 泵吸入口段
计算结果显示，泵进出口截面的总压差约为
2000Pa。
3.2 压力管段
进出口截面的总压差约为700Pa。
3.3 壁面冷却流道
进出口截面的总压差约为450Pa。
3.4 分配器段
小部分流量由壁面冷却流道流至冷池，大部分流
量由加热区域流至热池，极小部分流量由盒间区域流
2.2 仿真相关设置说明
（1）计算选用k-ε湍流模型，流体物性密度随温度
变化，具体参数见表2，并开启重力作用，考虑密度差
引起的对流问题。
（2）考虑到铅铋流体的普朗特数小，与常规流体差
异较大，故参考Cheng
［11］
等在文献中的关系式，对k-ε
模型中的Energy Prandtl数进行修正。
（3）考虑到热池温度变化幅度不大，为计算量简
化，铅铋的密度、粘度、导热系数与比热容设置为固定
值，参考表2，取工况温度范围内的平均值。
（4）仿真中，不考虑泵流量波动等时间相关因素，
至热池。
以中心加热盒为标准，进出口截面的总压差约为
按全程稳态运行考虑。
（5）在计算时，将各部分出口适当拉长，以避免计
算不稳定出现的出口回流问题。
（6）热池上方的氩气空间按照非流动区域考虑，物
性采用氩气物性。
2.3 计算网格处理
为降低数值耗散，获得高精度的数值计算结果，采
用分区域网格划分方法对模型进行空间离散，结果如
图2所示。表3为网格划分相关参数。
2.4 计算边界条件
系统的结构特点分成若干管段（节点），对每一段
单独计算压降。在进行计算之前，还要根据系统的结
构判断压降的类型，选取合适的计算公式，把每个节点
（管段）的各类压降求出后再叠加，最后对各管段压降
Elements
598675
532397
5338779
4249417
14420684
7314510
10000Pa。
3.5 堆芯至热池流场段
以中心加热盒为标准，进出口截面的总压差为
7500Pa。
3.6 热池出口至换热器入口段
进出口截面的总压差为1600Pa。
换热器本身流动阻力由厂家设计提供，总压差约
15000Pa。
3.7 流动阻力汇总
整个流道的总压降具体如表5所示，共计37
250Pa，其中，换热器压降占比最大，为40.27%；其次为
分配器，占比26.85%；壁面冷却流道阻力最小。
Max Skewness
0.86849
0.82707
0.84882
0.849
0.90383
0.85876
表3 网格划分情况表
位置
泵吸入口
压力管
壁面冷却流道
分配器
堆芯至热池流场
热池出口至换热器入口
Average quality
0.84
0.84
0.84
0.79
0.78
0.85
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①泵吸入口
②压力管
③壁面冷却流道
④分配器
⑤堆芯至热池流场
⑥热池出口至换热器入口
图2 网格划分示意图
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仿真区域
新
表4 计算边界条件
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数值
MPa
MPa
kg/s
MPa
kg/s
MPa
kg/s
MPa
kg/s
MPa
kg/s
kg/s
泵吸入段入口质量入口
泵吸入段出口压力出口
压力管入口质量入口
压力管出口压力出口
壁面冷却通道入口质量入
口
壁面冷却通道出口压力出
口
157.5（单台泵）
157.5（单台泵）
0
2.5（1/4模型）
0
16.98（内圈加热每盒）
剩余流量分配在其他盒
14.35（外圈加热每盒）
0
共72（1/4模型）
0
单位
堆芯区域入口质量入口
堆芯区域出口压力出口
分配器入口质量入口
分配器出口压力出口
热池至换热器段入口质量
入口
热池至换热器段出口压力
出口
根据壁面冷却通道和堆芯区域的阻力降计算结果，分别设置在分配器的不
同出口位置
72（1/4模型）
0
75.75（1/4模型）
a. 泵吸入口位置静压分布云图b. 泵吸入口位置速度云图
图3 泵吸入口计算云图
4 结语
本文首先介绍了小型模块化铅铋堆堆本体的结构
及一回路系统主要工作原理，并对堆本体进行分区域
建模，给出了一回路流道摩擦阻力降的计算过程。本
文的结论主要有如下2点。
（1）采用k-ε湍流方程和简化模型，采用分区域压
降仿真计算，得出非核集成测试装置一回路总压降为
37250Pa。
（2）堆本体及一回路流动总阻力较小，其中，换热
器压降损失较大，占总阻力的40.27%，是整个堆本体
及一回路系统中需要重点优化的设备，同时为堆容器、
主泵等其他一回路设备优化设计提供了数据支撑。
（3）本文计算结果为堆本体及一回路系统自然循
环能力验证提供了可靠的数据支撑。
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a. 压力管位置静压分布云图
b. 压力管位置速度云图
图4 压力管段计算云图
a. 壁面冷却位置静压分布云图
b. 壁面冷却位置速度云图
图5 壁面冷却流场段计算云图
a. 分配器位置静压分布云图
b. 分配器位置速度云图
图6 分配器段计算云图
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a. 堆芯位置静压分布云图b. 堆芯截面静压分布云图
图7 堆芯至热池流场段计算云图
c. 堆芯截面速度分布云图
a. 热池位置静压分布云图
表5 总阻力损失
b. 热池位置速度云图
图8 热池出口至换热器入口段计算云图
[3]杨若楠,彭天骥,秦长平,等.铅基反应堆自然循环与
应急余热排出研究[J].原子核物理评论,2020,37(1):
109-118.
2000
700
450
位置
泵吸入口
压力管
壁面冷却流道
分配器
堆芯至热池流场
热池区域至换热器入口
换热器
全程
阻力降／Pa
[4]张光雨.铅基实验堆热工水力实时仿真及动态特性
分析[D].合肥:中国科学技术大学,2017.
[5]魏诗颖,王成龙,田文喜,等.铅基快堆关键热工水力
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[6]
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社,2014.
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北京：中国原子能科学研究院,2003.
魏诗颖,王成龙,苏光辉,等.铅铋冷却沸水快堆热工
水力系统安全分析程序开发[J].核动力工程,2018,
39(4):67-70.
27
10 000
7500
1600
15000
36 800
（4）铅铋冷却剂在采用池式布置的一回路系统中
阻力较小、流动特性较好流动，堆本体及一回路系统结
构设计合理可行。
[7]
[8]
[9]
参考文献
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物理知识,2018,30(4):35-39.
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CFD code with neutron kinetics and pin thermal mod⁃
els for nuclear reactor safety analyses[J].Ann Nucl En⁃
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(上接第20页）
图10 腹板高度、顶缘宽度、底缘宽度和腹板厚度对承载效率的影响
腹板高度取某一特定值时，承载效率达到最大，腹板
外补修理[J].机械工程师,2022(4):82-84,87.
高度过高或过低都会导致承载效率的降低；对于“I”
[3]杨鸽,苗志桃,张博平.复合材料长桁末端拉伸数值
分析与试验[J].科学技术创新,2022(4):49-52.
型长桁，壁板结构承载效率随着腹板高度增加而升
[4]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册.第9册：
高。
载荷、强度和刚度[M].北京:航空工业出版社,2001.
（2）长桁底缘宽度与壁板承载效率整体上呈负
[5]石经纬,赵娟,刘传军,等.复合材料翼面壁板轴压稳
相关。
定性[J].复合材料学报,2020,37(6):13.
（3）在蒙皮/长桁刚度比满足一般设计要求的情况
[6]党举红.大型飞机翼面类复材结构的减重分析[C].
下，长桁的整体加强将提升壁板结构的承载效率。
第二十一届全国复合材料学术会议（NCCM-21)论
（4）“T”型长桁壁板结构承载效率随着腹板插层厚
文集.,2020:68-72.
度的增加而升高，有无底板层对于“T”型长桁壁板承载
[7]中国航空研究院.复合材料结构稳定性分析指南
效率的影响较小。
[M].北京:航空工业出版社,2002.
（5）“I”型长桁壁板结构承载效率随着顶缘宽度的
增加而升高。
[8]CMH-17协调委员会,汪海,沈真.复合材料手册[M].
上海:上海交通大学出版社,2015.
参考文献
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压缩稳定性分析与试验验证[J].工程与试验,2019,
设备工程,2019(19):203-204.
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28
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