管内过冷流动沸腾CFD模型参数敏感性研究

采用CFD方法对燃料组件进行过冷流动沸腾数值模拟研究是反应堆热工水力分析的一项重要内容。本研究使用STAR CCM+基于欧拉双流体模型结合壁面沸腾模型对管内过冷流动沸腾进行数值模拟,得到了壁面温度、主流温度及空泡份额的分布。基于实验结果对网格模型、湍流模型、壁面沸腾模型及相间作用力模型的参数设置进行了敏感性分析。研究结果表明,对于欧拉双流体模型,并非网格量越多结果越准确,加热面第1层网格的高度对结果影响显著。湍流模型和曳力模型对计算结果影响较小,非曳力中的湍流耗散力及升力对结果影响较大。Li Quan或Hibiki Ishii汽化核心密度模型与Kocamustafaogullari气泡脱离直径模型组合对壁面温度及空泡份额的计算较准确。本研究可为反应堆燃料组件内过冷流动沸腾数值模拟提供参考依据。     

蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区两相流动数值模拟

基于两流体欧拉数学模型结合RPI壁面沸腾模型,利用大型商用CFD软件ANSYS CFX 12.0对蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区一次侧、壁面和二次侧耦合传热过程进行了数值模拟。研究了三叶梅花孔支撑板和不同入口过冷度条件下蒸汽发生器传热管束内的流动沸腾现象,得到一、二次侧流场与温度场,二次侧空泡份额分布,支撑板梅花孔局部的流动状况及不同入口过冷度对蒸汽发生器热工水力特性的影响。数值模拟结果表明,三叶梅花孔支撑板的存在及不同入口过冷度对蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区域的热工水力特性影响显著。     

蒸汽发生器传热管一、二次侧耦合换热及管外过冷沸腾数值研究

采用两流体欧拉数学模型,结合气相和液相之间的界面传热、传质和动量交换封闭模型以及RPI壁面沸腾模型,利用ANSYS CFX 12.0对蒸汽发生器局部传热管束二次侧的过冷沸腾进行数值研究。数值研究结果与单管内过冷沸腾实验数据对比验证符合良好。结果表明,采用壁面沸腾模型能准确预测沸腾起始点的位置,同时梅花孔板的存在对二次侧流动换热特性影响显著。     

基于两相CFD的非均匀加热圆管CHF预测方法研究

为建立非均匀加热工况临界热流密度（CHF）预测方法，以对换热系统的安全分析提供新的辅助手段，本研究采用欧拉两流体模型和壁面沸腾模型，对非均匀加热圆管的CHF进行预测。通过数值计算得到不同热流密度下近壁面空泡份额和壁面温度的分布，将壁面温度出现二次峰值和此时近壁面空泡份额的峰值位置分别作为CHF发生的依据和CHF发生的点，并用此方法对2种不同功率分布圆管的CHF进行研究。研究结果表明，预测得到临界时的平均热流密度及临界发生的位置都与实验结果符合较好。因此，本研究建立的数值预测方法能够用于非均匀加热圆管CHF的预测。      

基于流固共轭传热的两相流动数值模拟及燃料子通道CHF预测研究

为对过冷沸腾两相流动进行准确模拟,并探索临界热流密度(CHF)预测方法,本文基于共轭传热和两相CFD分析的方法,通过流固界面耦合,建立流固共轭传热两相流动耦合求解的数值模型。首先通过典型燃料棒栅元过冷沸腾两相流动的模拟,验证数值模型的正确性。随后对燃料子通道内两相流动进行模拟,并在两相流动模拟的基础上,通过准瞬态的方法,建立与CHF试验过程非常近似的CHF预测方法,将加热壁面的温度飞升作为CHF判定的标准,实现对燃料组件子通道CHF的数值预测。研究表明,本文建立的数值模拟方法,可为燃料组件或其他换热系统的CHF预测奠定基础,为燃料组件的设计提供新的辅助手段。     

基于流固共轭传热的两相流动数值模拟及燃料子通道CHF预测研究

为对过冷沸腾两相流动进行准确模拟，并探索临界热流密度（CHF）预测方法，本文基于共轭传热和两相CFD分析的方法，通过流固界面耦合，建立流固共轭传热两相流动耦合求解的数值模型。首先通过典型燃料棒栅元过冷沸腾两相流动的模拟，验证数值模型的正确性。随后对燃料子通道内两相流动进行模拟，并在两相流动模拟的基础上，通过准瞬态的方法，建立与CHF试验过程非常近似的CHF预测方法，将加热壁面的温度飞升作为CHF判定的标准，实现对燃料组件子通道CHF的数值预测。研究表明，本文建立的数值模拟方法，可为燃料组件或其他换热系统的CHF预测奠定基础，为燃料组件的设计提供新的辅助手段。     

基于CFD方法的棒束通道内临界热流密度预测

为研究棒束通道内临界热流密度现象，采用基于对气、液两相分别建立基本守恒方程的欧拉两流体六方程模型和改进的壁面热流密度分配模型，利用CFD商用软件FLUENT 14.5对捷克大型水介质实验回路上开展的临界热流密度（CHF）实验进行数值模拟。通过计算获得CHF发生前、后计算域内重要热工水力参数的分布及CHF发生值，将CFD计算获得的CHF与实验测得值进行对比，结果表明，大多数工况的偏差在±30%以内，证明了欧拉两流体模型结合改进的壁面热流密度分配模型对CHF预测的准确性。本研究可为复杂结构的CHF预测提供依据。     

含弯曲棒的全长燃料棒束沸腾传热CFD计算分析

采用计算流体动力学（CFD）分析方法模拟了含一根弯曲燃料棒（简称“弯曲棒”）的5×5全长燃料棒束内的沸腾传热现象。基于欧拉两流体模型和改进的壁面沸腾模型进行计算,并基于压水堆子通道和棒束实验( PSBT )基准题中的试验数据对计算方法进行了验证,计算所得截面平均空泡份额与试验数据吻合良好,说明了现有计算方法的可靠性。基于计算结果考察了弯曲棒对棒束通道内流场、温度场、空泡份额等关键参数的影响。研究结果表明,弯曲棒的存在对截面横向流动、流体温度、空泡份额等均未产生显著影响,但弯曲棒表面温度增加,气泡也易发生聚集,增加了发生临界热流密度（CHF）的风险。      

欠热沸腾模型参数敏感性分析

为了提高RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)欠热沸腾模型在棒束通道数值计算中的准确性并对模型参数的选取提供参考,本文基于FT-6a实验详细分析了RPI模型中3个重要子模型(气泡脱离壁面直径、气泡成核面密度及气泡脱离频率)及两个重要相间非曳力模型(升力及湍流耗散力)对气泡轴向与径向分布及壁面过热度计算结果的影响。分析结果表明:RPI子模型对气泡份额及壁面过热度计算结果的影响较为复杂,不能通过对比单个参数的实验测量值来验证计算的可靠性,应综合对比多个实验值,以确定各子模型的最佳模型参数;非曳力对棒束通道中气泡的径向分布计算结果有明显影响,升力有抑制气泡离开加热壁面的作用,湍流耗散力则有促进气泡向主流区运动的作用。     

摇摆条件下竖直圆管内干涸型临界沸腾的数值研究

针对摇摆条件下竖直圆管内干涸型临界热流密度（Dryout CHF）进行了三维数值计算,研究了摇摆条件下竖直圆管内相态分布特性、圆管内临界热流密度（CHF）的位置以及最高壁面温度,同时对管壁沿程换热系数特性进行了分析。结果表明:在摇摆条件下,圆管内相分布呈现周期性变化,CHF的位置也会发生周期性变化;同时发现摇摆运动会导致壁面最高温度更高,因此摇摆条件会使沸腾临界现象更严重。随着流型转变和沸腾传热机制的变化,管壁换热系数沿流动方向也会显著变化。本研究可以为摇摆条件下Dryout CHF的数值预测提供参考。      

竖直加热圆管内过冷沸腾及CHF数值模拟

基于欧拉两流体模型和非平衡过冷沸腾模型,完成过冷沸腾数值模型的构建,并通过与Bartolomei单管过冷沸腾实验进行对比,验证模型的正确性。利用该模型计算得到圆管的沸腾曲线,将进入"临界区"后的第一个点作为偏离泡核沸腾(DNB)判定的标准,对高压、高流量下圆管内的DNB型临界热流密度(CHF)进行数值模拟,CHF数据取自最新(2006年)的查询表;计算中考虑质量流量、平衡含汽率和压力对CHF的影响,最终预测值与实际值符合良好,误差在15%以内。预测CHF出现的位置也与实际相符,表明本文提出的方法能够很好地模拟高压、高流量下圆管内的DNB型CHF。     

基于两流体模型的流动沸腾瞬态数值模拟程序

基于两流体模型与固壁非稳态导热模型,结合相关关联式组合,建立了流道内流动沸腾传热的瞬态数值模拟程序。通过不同入口瞬态下流道两相流动沸腾过程的算例计算分析,确认了程序进行流动沸腾瞬态模拟的能力。通过对不同固壁加热条件下流动沸腾行为的算例计算,检验了该程序进行流壁耦合行为模拟的功能。程序可进一步向系统分析程序和子通道程序发展。     

管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热特性的数值模拟

以唐琦琳的管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热试验台为原型,进行基于CFX的管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热特性数值模拟,得出了不同入口温度、热流密度、质量流速下管束外狭窄通道的热工水力特性。沿管束高度流体温度的模拟结果与实验结果的最大相对偏差为3.5%,从而证明了数值计算的有效性和正确性。在此基础上,探讨了汽液两相流速度分布、沸腾压降与含汽率及其影响因素。     

相界面浓度输运方程在一维两流体模型中的应用研究

为解决一维两流体模型核电厂系统分析程序中使用流型图所带来的缺陷,提高系统分析程序计算的准确性,探索在一维两流体模型中应用相界面浓度输运方程（IATE）对两相流动进行预测。采用FORTRAN语言开发耦合了IATE的一维两流体模型求解器（Solver-IATE）,并对其进行验证。基于SolverIATE对小直径绝热圆管内向上泡状流进行了数值模拟,并与采用流型图的计算结果进行了对比。研究结果表明：采用IATE计算的相界面浓度结果比采用流型图的计算结果更接近实验值。因此,在一维两流体模型中使用IATE可以提高其计算相界面浓度的准确性,进而提高一维两流体模型核电厂系统分析程序计算两相间相互作用项的准确性,能更准确预测反应堆的瞬态响应特性。     

两流体模型在环形窄缝内的应用研究

采用EPRI最新开发的Chexal-Harrison相壁相间摩擦模型和简化的相壁相间传热模型,构造了适用于环形窄缝内沸腾传热和流动的两流体模型,并编制了热工水力计算程序——THYME程序.与实验数据比较,分析了环形窄缝套管在不同负荷下Relap5/Mod3.2程序和本文程序的计算结果.计算结果表明,Relap5/Mod3.2低估了环形蒸发管的蒸汽温度,本文计算结果与实验数据较为一致.     

多孔壁面管强化大容积沸腾换热特性研究

针对非能动余热换热器大容积沸腾换热工况,采用高温饱和蒸汽作为加热热源,对机械加工多孔壁面管和光管的大容积沸腾换热特性进行实验研究.结果表明,多孔壁面管对大容积沸腾换热具有很好的强化能力,多孔壁面管可使沸腾换热系数较光管提高68%～75%,壁面过热度降低约1.5℃;受管外沸腾和管内凝结之间传热耦合的影响,换热管轴向壁面温...     

纳米流体饱和池沸腾传热及CHF模型研究

纳米流体传热是一种新兴的换热方式,目前研究多集中在单相研究领域,而纳米流体沸腾传热特性的相关研究较少。本文采用热通量拆分方法,将壁面传热分为4种模型(微液层蒸发、气泡脱离前的瞬态导热、气泡脱离后的瞬态导热以及微对流换热),对这4种模型的传热量分别进行计算,结合壁面核化中心密度等参数,计算了壁面平均传热系数和CHF。结果表明,本文计算结果与国际上已发表的实验数据符合较好,充分验证了所建立模型的合理性。     

泡核沸腾两相CFD模拟的参数敏感性分析与模型验证

预测偏离泡核沸腾(DNB)型的临界热流密度(CHF)是压水堆热工水力分析的重要内容。基于计算流体力学(CFD)方法预测CHF需要准确预测空泡份额在截面上(尤其是壁面附近)的分布。本文使用商用CFD程序STAR-CCM+对泡核沸腾状态下DEBORA竖直上升流均匀加热圆管实验进行模拟。经过敏感性分析,找出对空泡份额、气体速度、液体温度和气泡直径四个物理量的径向分布以及轴向壁面温度分布有显著影响的模型参数。基于一组实验数据,通过调整关键模型参数重新标定了相间作用模型,并将标定过的计算模型应用到其他工况验证其适用性,得到了较好的结果。本研究为后续将两相CFD计算应用于DNB型CHF的预测打下了基础。     

CFD过冷沸腾模型及在燃料组件热通道模拟中的应用

论述了强迫对流流动中过冷沸腾先进的CFD模拟，重点研究了连续液体与气泡间的动量交换。在本研究中，CFX-5程序中基于两流体方法的壁面沸腾模型将与最新发展的无拖曳力模型关系式一起运用。本文主要描述了相间质量、热量、动量交换模型的概念。利用公开发表的管内流动实验结果来进行模型验证。 用壁面沸腾模型对燃料棒束中一个热通道内的过冷沸腾进行了模拟。模拟中考虑了为提高燃料组件热量传输性能而在格架中设置搅混叶片的影响。模拟结果显示了模型在评估格架几何设计对流动特性影响方面的能力。     

不同运行工况下蒸汽发生器热工水力稳态特性数值研究

基于相似模化理论建立了蒸汽发生器一、二回路流体及传热管流 固耦合传热的单元管三维物理模型,对大亚湾核电厂蒸汽发生器不同工况下的热工水力稳态特性进行了数值模拟研究。采用热相变模型描述二回路汽液两相流动与换热、流-固耦合模型描述一回路冷却剂借助U型管与二回路流体换热。数值计算结果表明：满负荷运行时,传热管内壁温度变化趋势与一次侧流体基本一致,外壁温度与二次侧流体温度变化趋势相同;截面平均含汽率沿传热管高度的升高呈上升趋势,出口质量含汽率与大亚湾核电厂实际运行参数相符;随负荷降低一回路出口温度基本不变,二回路出口温度升高,质量含汽率及传热系数下降,平均传热系数与Rohsenow经验关联式的计算结果基本吻合。