环形通道内液态铅铋合金流动换热特性实验研究

通过对环形通道内液态铅铋合金的流动换热特性进行实验研究,得到了气泡泵注气对液态金属流动的影响,并拟合出环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数关系式和换热特性关系式。结果表明:采用气泡泵注气能有效提升铅铋合金的质量流速;相同Reynolds数下环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数大于由布拉休斯公式计算得到的摩擦系数;液态铅铋合金对流换热过程中,导热项占主导地位,并且Nusselt数随Peclet数的增大而增大。     

环形通道内液态金属钠流动换热特性实验研究

对液态金属钠在环形通道内的单相流动换热特性进行了实验研究。结合实验数据,将液态金属钠单相流动分为层流区(Re≤2 000)、过渡区(2 000Re≤4 000)及湍流区(Re4 000),分别拟合得到不同流态下摩擦系数的计算关系式,并拟合得到液态金属钠环形通道内换热特性的相应关系式。结果表明:液态金属钠单相流动特性与常规流体(如水)类似,其层流区摩擦系数略大于水,湍流区与水的很接近。液态金属钠对流换热过程中,导热项占较大份额,同时Nu随Pe的增大而略有增大。     

液态铅铋合金管内流动传热特性研究

为研究液态铅铋合金的流动传热特性,建立了相应的实验台架,并开展了传热特性试验,获得了1组针对液态铅铋合金的传热关系式。同时使用Fluent程序对圆管内铅铋合金的流动换热进行了模拟计算,以研究不同湍流普朗特数模型和不同湍流模型的选取对计算结果的影响。根据计算结果,探讨了不同湍流普朗特数模型对计算结果的影响,并得到了不同Peclet数下推荐使用的物理模型。     

六边形排列的7棒束通道内液态钠流动换热特性试验研究

以液态钠作为试验工质，对六边形排列的7棒束通道内液态钠流动换热特性进行了试验研究。试验流速为0~4 m·s^-1，热流密度为0~120 kW·m^-2，系统压力为1.5~200 kPa，对应的雷诺数和佩克莱数分别为4 000~60 000和0~340。深入分析了部分热工参数对7棒束通道内液态钠流动换热特性的影响，通过对7棒束通道内液态钠流动换热的试验数据的非线性拟合，得到适用于7棒束通道内液态钠流动换热的经验关系式。结果表明：拟合得到的摩擦系数关系式和努塞尔数关系式能准确地预测7棒束通道内的试验数据，其预测误差分别小于5%和6%。将获得的努塞尔数关系式与其他研究者的试验数据进行比较，与其他研究者985%的试验数据误差在30%以内，表明获得的关系式适用于7棒束通道内液态钠流动换热。     

液态金属内单个气泡上升行为的MPS法数值模拟

液态金属冷却核反应堆采用气泡泵的概念设计来提升堆芯自然循环能力。液态金属内气液两相流动特征将直接影响核反应系统一回路的自然循环能力及堆芯安全。本研究通过采用移动粒子半隐式（MPS）方法,对液态金属中单个上升气泡的气泡动力学行为进行数值模拟。分析了铅铋合金中3种初始直径不同的单个氮气泡在上升过程中的气泡形状和速度的变化趋势;对比了初始直径相同的单个氮气泡在液钾、液钠、铅铋合金、钾钠合金和锂铅合金5种液态金属中的上升行为;同时将模拟得到的气泡形状与Grace经验关系图进行了对比,验证了MPS方法数值模拟结果的正确性。     

气泡在液态铅铋合金内上升行为的数值模拟

为利用气泡提升泵的概念设计来增加铅铋合金非等温回路的自然循环能力,需对充入回路的气泡大小进行选择。气泡的初始直径能显著影响气泡提升泵提升自然循环的能力。利用VOF模型,对不同初始直径的氦气泡在液态铅铋合金中的提升作用进行了数值模拟研究。结果表明,对于单个气泡,随着初始直径增大,提升能力呈先增加后趋于不变的趋势;初始直径较大的气泡易分裂生成较小的子气泡附着在管壁上,有影响传热效率的潜在可能。研究了在静止液态铅铋合金中,不同初始直径的氦气泡上升速度和上升高度与时间的关系及气泡分裂的原因。     

基于扩散界面法的液态铅铋合金中气泡上升行为模拟

基于扩散界面法,对单个氮气气泡在液态铅铋合金内从静止到充分发展整个过程中的动力学行为进行数值模拟,得到气泡形变特性和气泡上升速度随时间的变化关系,将模拟结果与Grace经验关系图对比,发现模拟得到的气泡形变结果在Grace经验关系图中均可找到且很好地吻合,从而验证了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中气泡上升行为的可行性和准确性。同时基于界面扩散法的模拟,对比了5种不同初始直径的氮气泡在液态铅铋合金中的上升行为,发现初始直径较小的气泡在上升过程中扰动会更剧烈,初始直径较大的气泡在上升过程中易发生分裂现象。     

基于灰色关联度的棒束通道内液态铅铋合金中颗粒物运动沉积研究

液态铅铋合金在流动中产生的不溶性颗粒物会在流道内局部聚集，影响铅铋快堆的运行。利用ANSYS软件对小型自然循环铅冷快堆SNCLFR-100棒束通道中颗粒物沉积进行了数值模拟计算，得到颗粒物的沉积运动情况；基于灰色理论，得到颗粒物种类、颗粒物粒径、颗粒物速度对颗粒物沉积的影响。结果表明：通道内颗粒物沉积主要发生在入口阶段，进口段表面为大面积附着沉积，在中段及后段表面为点状沉积；随着轴向距离的加大，湍动能大小是影响颗粒物径向分布的主要因素；颗粒物密度以及粒径的增大会加强颗粒物的沉积；颗粒物速度的增大会降低颗粒物的沉积；对颗粒物沉积的影响程度大小为粒径>种类>速度。     

环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性实验研究

对环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性进行了实验研究。实验中质量流速G≤2 000kg·m-2·s-1,系统压力p≤0.1 MPa,热流密度q≤550kW·m-2。两相流动摩擦压降通过在相同质量流量的单相流动摩擦阻力系数的基础上引入两相摩擦倍增因子来考虑两相的影响。实验结果表明:环形通道内液态金属钠两相摩擦倍增因子随Martinelli参数的增大有减小趋势。综合本文实验数据、Lurie等的实验数据以及Kaiser等的棒束实验数据,拟合得到了计算液态金属钠沸腾两相流动摩擦倍增因子的关系式。计算了本文拟合得到的关系式与各组实验数据间的相对标准偏差(RSD),表明本文关系式适用于计算环形通道内液态金属钠沸腾两相流动特性。     

铅铋合金冷却反应堆内气泡提升泵提升自然循环能力的理论研究

液态金属冷却核反应堆采用气泡提升泵的概念设计来提升堆芯自然循环能力。液态金属和惰性气体两相流动特性显著影响自然循环能力和系统安全性。本工作对铅铋合金冷却反应堆中气泡提升泵提升自然循环能力进行数值模拟研究。基于漂移流模型,采用空泡份额预测模型和摩擦压降预测模型分析了气体质量流量、质量含气率、气泡直径、上升管道高度对气泡提升泵提升自然循环能力的影响。结果表明：泡状流区域中,对于给定的气体质量流量,随着充入气泡直径减小,自然循环能力呈增加趋势。在泡状流、弹状流、乳状流和环状流等流型中,随着气体质量流量、质量含气率增加,自然循环能力先增大后减小。随着上升管道高度增加,自然循环流量增大。可见,流动参数显著影响堆芯热工水力特性。现有工作有助于优化带有气泡提升泵的自然循环冷却系统设计。     

Heat removal characteristics of a concrete cask by a simplified test model

The present study is concerned with the characteristic cooling flow in the annular gap of a concrete cask used to store spent nuclear fuel. The concrete cask is cooled by a natural convection flow of air passing through an internal annular gap between the outside of a canister and the inside of the concrete vessel. The heat transfer coefficient and friction loss coefficient of such a flow could not be fully estimated even if we used existing handbooks, because the airflow has unique features. Simulation experiments using a simplified model for the cooling path have been conducted to estimate the heat transfer coefficient and friction loss coefficient. It was found by this study that the heat transfer coefficient well agreed with the prediction by an empirical formula applied to the free convection, and the friction loss coefficient was 2–2.5 times the value of an isothermal flow.     

Heat Transfer to Steam-Water Annular Dispersed Flow in Vertical Annulus

The heat transfer coefficient and slow burnout heat flux were measured for a stream-water annular dispersed upward flow under pressures up to 3.5 ata in an electrically heated vertical annular channel.

An empirical equation was derived for the heat transfer coefficient as function of mass flow rate, steam quality and heat flux. The dominant mechanism of heat transfer to the annular dispersed two-phase flow is forced convection of liquid film on the heater surface even in the region of low steam quality (down to about 0.03). The observed slow burnout heat flux was near the point of intersection of the lines representing liquid film forced convective heat transfer and nucleate boiling heat transfer on the q vs. δT _sat diagram. A dryout mechanism is proposed in which increasingly violent evaporation comes to impede the rewetting of the dry patches generated on the heater surface, which thus spread to cover the whole surface. A maximum value is observed in the slow burnout heat flux plotted against exit steam quality. This can be explained as the effect of heat removal by droplet exchange between liquid film and steam flow.     

竖直环形狭缝通道内环状流的预测模型

对竖直环形狭缝通道内环状流流动沸腾传热理论模型进行了分析，以液膜质量、动量和能量守恒方程为基础，结合汽芯动量方程建立了竖直环形狭缝通道内环状流的数学物理模型。对该模型进行数值求解，得出了液膜厚度、液膜内的速度分布和温度分布、内—外管的换热系数以及通道内压降值，并与实验值进行了比较。     

Experimental Study of Liquid Sodium Flow and Heat Transfer Characteristics Along Hexagonal 7-rod Bundle Channel

The flow and heat transfer characteristics of single-phase liquid sodium were experimentally investigated in a hexagonal 7-rod bundle channel with the velocity of 0-4 m/s, the heat flux of 0-120 kW/m² and the absolute pressure of 1.5-200 kPa. The corresponding Reynolds number ranges from 4 000 to 60 000, and the Peclet number varies from 0 to 340. The influence of some thermal parameters on the heat transfer characteristics of liquid sodium flow in a hexagonal 7-rod bundle channel was analyzed in depth. Empirical correlations of liquid sodium flow and heat transfer in a hexagonal 7-rod bundle channel were obtained by nonlinear regression analysis for experimental data. The results show that these correlations can accurately predict the friction coefficient and Nu in a hexagonal 7-rod bundle channel. The prediction error for flow and heat transfer is less than 5% and 6%, respectively. The new equation was compared with other results, and the error is within 30%. It is shown that the new empirical correlation is suitable for the flow heat transfer of liquid sodium in a hexagonal 7-rod bundle channel.     

Experimental and numerical study on lead-bismuth heat transfer in a fuel rod simulator

As a task of the EU project IP EUROTRANS towards development of an Accelerator Driven System (ADS) dedicated to the transmutation of long-lived fission products, experiments and simulations were performed on the TALL test facility at KTH to investigate thermal hydraulics along a single fuel rod simulator cooled by lead-bismuth eutectic (LBE). The fuel rod simulator is concentrically inserted in a tube, so that an annular channel is formed for LBE flow. This paper presents the measured temperature profiles in the annular channel, and the comparisons with the simulation results of the CFX code. The primary objective is to help understanding the LBE heat transfer characteristics and qualifying the turbulence and heat transfer modeling for LBE application. The quantitative comparison between the calculated and measured temperatures of the LBE indicates that the simulation underestimates the experiment at most radial and axial positions. Finally the uncertainties in measurement and the deficiency in turbulence models resulting in such a disagreement were discussed, which will be directive and beneficial to future work in the field.     

双侧加热环形窄缝通道内单相水的流动传热特性研究

对环形窄缝通道内单相水在双面处于不同的加热热流密度情况下的对流换热特性进行了数值计算.计算结果表明,环形通道内、外壁加热热流密度比值的不同,对环形通道内、外壁与单相水的对流换热特性有着显著的影响.内、外壁面加热热流密度比值较小时,内壁的换热强于外壁的换热,随着内壁加热热流密度的增大,外壁的换热得到增强.但是,当内、外壁加热热流密度比值增加到一定程度时,外壁的对流换热特性将超过内壁的对流换热特性,与文献报道的实验结果一致.此外,环缝间隙的减小将导致环形通道的换热性能下降.     

同心环形管内沸腾两相流动与传热实验研究

对窄缝为2．1mm的同心环形管，试验研究了外管加热条件下水的沸腾两相流动阻力与传热特性，得到了以下结果：窄缝环形管内两相流动的阻力较普通圆管内大，沸腾换热得到了较明显的强化，换热系数弓压力、热平衡干度、工质流量、加热负荷均有关系，且与缝隙宽度和加热方式有关；提出了环形管强化传热的微液膜蒸发机理与汽泡扰动机理的物理解释；得到了环形管内流动摩擦阻力系数与传热系数的实验关联式。     

液态铅铋合金湍流普朗特数及RANS模型优选

工程上常采用RANS湍流模型进行热工水力相关的数值模拟,然而液态铅铋合金（LBE）具有独特的热物性,常规湍流普朗特数模型和RANS湍流模型对其流动与传热模拟的适用性有待研究。为更准确地描述绕丝燃料组件内LBE的流动与换热过程,本文基于大涡模拟对湍流普朗特数模型和RANS湍流模型进行优选。首先,采用四种湍流普朗特数模型对绕丝燃料组件内LBE的流动与传热过程进行大涡模拟,对比分析实验数据和模拟结果并进行模型优选。基于优选的湍流普朗特数模型,评价RANS湍流模型对LBE数值模拟的适用性和准确性。结果表明,Cheng湍流普朗特数模型和SST k-ω模型对LBE流动与传热模拟的准确性和适用性最高。     

液态铅铋合金回路氧输运特性的数值研究

为研究液态铅铋合金（LBE）冷却剂系统气态氧控装置——膨胀箱中覆盖气体的氧输运特性,利用计算流体动力学（CFD）软件ANSYS Fluent对氧输运进行了数值计算。根据覆盖气体流动特性和混合气体中低氧分压特点,对膨胀箱气相空间进行简化,将气-液交界面视为氧浓度恒定的自由表面边界,采用组分输运模型计算气体和液态LBE之间传质后的液态LBE氧浓度。结果表明,传质系数随液态LBE入口流速增大而增大,液态LBE入口流速增大则膨胀箱内气-液对流强度增加,有利于增强膨胀箱的氧输运;膨胀箱中液态LBE温度越高,则氧输运的平均传质系数越大;在液态LBE入口流速一定时,平均传质系数可表示为温度的递增函数。在饱和氧浓度阈值内,入口氧浓度和气-液交界面氧浓度不影响膨胀箱的传质系数,对液态LBE回路的氧浓度控制有利。本研究定量获得了使液态LBE回路处于合理氧浓度范围内的操作条件,为实验及系统设计提供数据参考。