冷却剂与含格架燃料棒束多场耦合分析

燃料棒束作为压水堆燃料组件的组成部分,其热工和结构特性直接关系到反应堆的安全。本文利用ANSYS WORKBENCH软件分析了冷却剂在5×5含定位格架燃料棒束通道内流动的分布,采用冷却剂与燃料棒束多场耦合的方式研究了燃料棒束的流动传热特性和结构形变特性。结果表明:定位格架扰动冷却剂形成横向二次流并在下游棒束间形成绕流;多场耦合条件下二次流峰值速度和平均速度均小于单流场的;二次流与燃料棒的热应力使棒束发生形变,功率和流动分布的不均匀导致形变在轴向和径向的不均匀;相较于无格架情况,定位格架的存在使冷却剂的搅混流动更加明显,冷却剂对燃料棒冲击增大;在有、无定位格架两种情况下棒束形变均很小,可保持原本结构的稳定。     

基于CFD方法的行波堆燃料组件燃烧区热工流体特性研究

采用计算流体力学（CFD）方法对行波堆燃料组件7棒束、19棒束及37棒束模型进行计算分析,发现行波堆燃料组件内冷却剂温度随轴向高度增加逐渐升高的同时具有逐渐向中心区域聚集的效应,组件出口区域垂直于流动方向的截面冷却剂温度分布差别很大,对边距约为26 cm的组件中心区域与外围区域最大温差超过100 ℃。组件内较大的冷却剂温度梯度主要出现在组件最外两圈燃料棒及组件盒之间的区域,而其他区域温度梯度较小,该结论可初步推广到有217根燃料棒的行波堆燃料组件。现有行波堆燃料组件结构需进一步优化。     

冷却剂与含格架燃料棒束多场耦合分析

燃料棒束作为压水堆燃料组件的组成部分，其热工和结构特性直接关系到反应堆的安全。本文利用ANSYS WORKBENCH软件分析了冷却剂在5×5含定位格架燃料棒束通道内流动的分布，采用冷却剂与燃料棒束多场耦合的方式研究了燃料棒束的流动传热特性和结构形变特性。结果表明：定位格架扰动冷却剂形成横向二次流并在下游棒束间形成绕流；多场耦合条件下二次流峰值速度和平均速度均小于单流场的；二次流与燃料棒的热应力使棒束发生形变，功率和流动分布的不均匀导致形变在轴向和径向的不均匀；相较于无格架情况，定位格架的存在使冷却剂的搅混流动更加明显，冷却剂对燃料棒冲击增大；在有、无定位格架两种情况下棒束形变均很小，可保持原本结构的稳定。     

燃料棒内氦气压力无损检测的数值模拟

用数值模拟的方法对一种用温度测量进行燃料棒内氦气压力无损检测的方法进行了模拟计算,该方法的基本原理是氦气在不同压力下具有不同的传热特性.采用二维差分模型,编制了用于计算燃料棒内瞬态二维温度分布的程序RODTRAN,计算模拟具有不同氦气压力下元件棒在一端固定热源温度加热后所形成的温度分布随时间的响应特性.通过用RODTRAN程序计算各种不同压力情况下的燃料棒动态传热特性,发现利用x=14.5 cm处的包壳表面升温速率可以推算燃料棒内的氦气压力,氦气压力的测量精度可小于5%,也就是说可以区分1.9 MPa和2.0 MPa的压力差别,此时的最大温差可达0.5℃,同时也发现压紧弹簧段的温度响应比铀芯块段要快.所得到的结论,可为氦气压力无损检测装置的设计提供很好的技术支持.     

核电厂堆芯出口温度测量表征性分析

堆芯出口温度测量对于掌握反应堆运行状态有着重要的意义，本文通过计算流体动力学（CFD）方法对堆芯出口温度测量的表征性进行分析。通过对燃料组件及仪表管结构进行模拟计算，获得了仪表管内冷却剂流场和温度分布；通过对9种典型功率分布下堆芯出口温度测量结果的定量分析，获得了堆芯出口温度表征性与燃料组件功率的关系。结果显示，测点平均温度与燃料棒功率基本呈线性关系，其测点温度随燃料棒功率的增加而增加，测温表征性随燃料棒功率的升高而变差。研究结果为堆芯出口温度测量的校正提供了一定的依据。     

流量分配比对环形燃料芯块传热特性影响数值模拟研究

环形燃料具有两条冷却通道，外通道与内通道的冷却水流量分配比（φ）的变化可能会对芯块传热特性产生影响。本文建立了环形燃料单棒流固耦合CFD计算模型，在4种不同的流量分配比工况下，通过计算3个反映芯块传热特性的评价指标，研究了流量分配比变化对环形燃料芯块传热特性的影响。由分析计算结果可知，流量分配比变化不会对有间隙结构的环形燃料的芯块传热特性产生显著影响。     

VVER反应堆燃料组件流动传热特性CFD分析

采用计算流体力学（CFD）方法对俄罗斯水-水高能反应堆（VVER）先进燃料组件（AFA）的流动传热特性进行模拟,获得了额定工况下燃料组件冷却剂流场、流动压降和温度分布等。结果表明:与内部含交混翼的格架相比,AFA燃料组件定位格架的压力损失较小;定位格架围板导向翼附近存在滞流现象,导致燃料组件外围区域冷却剂温度偏高;不同的测量管周向棒功率比K_c对燃料组件出口冷却剂温度的测量值有较大影响。该分析结果可为核电厂堆芯温升预警值ΔT_t的设定提供参考。      

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。     

辐照变形条件下板型燃料组件内热工水力特性研究

考虑流体与燃料组件辐照变形行为之间的相互作用,即双向流固耦合可以使辐照变形计算结果更加符合实际和更为准确,本研究基于Fluent-MpCCI-Abaqus流固耦合技术,实现了对板型燃料组件和冷却剂三维精细流固耦合的模拟,并采用Fluent共轭传热方法对Fluent-MpCCI-Abaqus流固耦合技术进行了对比验证,结果表明两者计算结果符合良好。另外,采用热膨胀方法研究了燃料板辐照肿胀变形程度对流场和温度场的影响,计算结果表明,肿胀变形程度对冷却剂各通道的流量分配和出口温度影响较大,当燃料板肿胀变形量为0.39 mm时,总流量降低为无肿胀变形条件下的72%,各通道流量也随之降低,且变形程度大的通道变化更加显著;随着燃料板肿胀变形程度的升高,中心通道的冷却剂出口温度变化显著,从无变形到变形量为0.39 mm,出口温度从558 K升高到573 K,冷却剂温度上升15 K。     

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。     

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。     

Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer in a DC Non-Transferred Arc Plasma Torch Operating Under Laminar and Turbulent Conditions

In this work, a magnetic fluid dynamics (MHD) model is used to simulate the electromagnetic field, heat transfer and fluid flow in a DC non-transferred arc plasma torch under laminar and turbulent conditions. The electric current density, temperature and velocity distributions in the torch are obtained through the coupled iterative calculation about the electromagnetic equations described in a magnetic vector potential format and the modified fluid dynamics equations. The fluid-solid coupled calculation method is applied to guarantee the continuity of the electric current and heat transfer at the interface between the electrodes and fluid. The predicted location of the anodic arc root attachment and the arc voltage of the torch are consistent with corresponding experimental results. Through a specific analysis of the influence of mass flow rates and electric current on the torch outlet parameters, the total thermal efficiency, thermal loss of each part, and the laws of the variation of outlet parameters with the variation of mass flow rates and electric current was obtained. It is found that operation under a laminar condition with a limited area of the anode could increase the total thermal efficiency of the torch.     

3×3棒束通道内蒸汽对流换热特性数值分析

采用计算流体力学（CFD）方法，建立3×3棒束模拟体的数值模型，进行蒸汽冷却条件下的对流传热特性分析。结果表明:棒束通道内周向的壁面热流密度不均匀性明显，体现出流固耦合方法相比于均匀热流方法对传热细节模拟的优越性。蒸汽速度场、温度场、热流密度、换热系数等热工参数分布规律受入口效应、壁面效应、热源分布、物性参数等因素影响。压力的升高及氢气的加入均能提升通道内的换热性能。加热段换热系数沿程变化趋势与文献[13]中Deissier的趋势一致，CFD的换热系数结果与WCOBRA/TRAC程序中的关系式吻合较好。本文模拟方法可行，其结果可为后续的实验模拟体设计提供技术支持。      

矩形窄缝通道内单相强迫循环传热特性分析

对冷却剂平均温度恒定运行模式下矩形窄缝通道内的传热特性进行实验及理论分析。结果表明,在层流区,壁面与流体的传热温差随着雷诺数线性增长,而在紊流区,雷诺数变化对传热温差的影响非常小。通过分析传热机理分别解释了上述现象;出、入口流体温差越大,努赛尔数越小,出、入口流体温差影响换热特性的主要原因是改变了粘性底层中热阻所占的比例。     

基于CFD方法的非能动余热排出系统数值模拟

本文应用FLUENT软件对APl000的非能动余热排出热交换器和换料水箱进行了数值模拟，分析了不同c型传热管数量和冷却剂入口温度对热交换器换热性能和换料水箱内热分层、自然循环现象的影响。分析表明，总体通流面积不变，随着传热管数量增加，热交换器出口温度变小，水箱水温整体提升，热分层现象显著，自然循环趋势明显；质量流量不变，随着冷却剂入口温度的增加，入口流速增加，热交换器出口温度变大，但降温幅度也变大，水箱平均水温升高，热分层范围扩大，自然循环流速加快。     

高放废物处置库近场裂隙水流-传热-处置室间距相互作用的三维数值分析

为研究高放废物地质处置库近场裂隙水流-传热-处置室间距的相互作用机理,采用3DEC软件计算裂隙水流-传热-处置室间距相互作用对处置库近场温度分布影响。结果表明:(1)在处置室间距相同条件下,流动的裂隙水显著改变了处置库近场温度场,使岩体温度降低,缩短模型达到稳态所需要的时间。(2)处置室间距增大,温度叠加效应减弱,处置库近场温度越低,并且废物罐表面膨润土温度越低,裂隙出水口水温越低,模型达到稳态所需要的时间越短。(3)水平和垂直裂隙水流共同传热使处置库近场裂隙水流下游区域温度显著高于裂隙水流上游区域。(4)处置室间距为6 m和8 m时,水平裂隙出水口水温高于垂直裂隙,处置室间距为10 m时,水平裂隙出水口水温低于垂直裂隙。     

基于流热固耦合的核电蒸汽发生器传热管热应力数值模拟

以大亚湾核电站蒸汽发生器为原型,基于相似模化原理建立了蒸汽发生器简化物理模型。采用两流体模型及热弹性力学基本关系式分别描述气液两相流沸腾相变过程和热应力变化规律。利用CFX对一、二回路侧流体流动传热及与传热管的耦合换热过程进行了数值模拟,并在ANSYS WORKBENCH中实现了流体温度场载荷向结构的传递,进而对传热管进行稳态热分析和热应力分析。计算结果表明：二回路出口质量含汽率为24.5%,冷却剂出口温度为296.2 ℃,均与大亚湾蒸汽发生器实际运行参数相符;传热管热应力与其壁面温差分布一致,且沿壁厚方向先减小后增大,并存在中性层,传热管最大热应力为54.5 MPa。研究结果为蒸汽发生器的优化设计及安全运行提供了一定的理论支撑。     

换热器热力学计算中平均温差计算方法

对算术平均温差和对数平均温差的计算方法进行分析.分别采用对数平均温差法(LMTD)与测壁温法进行换热计算,分析二者计算结果的差别.通过实验进一步验证,认为在计算对流表面换热系数时,采用两种数据处理方法所得结果不同,特别当雷诺数较小时二者差距较大,二者的差别主要来自于对数平均温差和算术平均温差;而在紊流区,二者相差不大,可以用算术平均温差代替对数算法.在工程计算中可以采用LMTD来分析紊流区内的对流换热特性.     

非能动余热排出系统换热器管外流动组织及其对换热能力影响分析

对非能动余热排出系统的换热器管外对流换热进行数值分析,比较组织流道和不组织流道时换热器管束外部的流动分布的差异和换热能力的大小,数值计算结果表明,组织流道可优化换热器管外的流动,提高换热器的换热能力。比较分析无流道、有流道和流道出现缝隙对换热能力、阻力和出口温度等的影响。分析结果表明,组织流道会使换热能力增加约20%,阻力增加约1倍;当流道出现缝隙时,单缝隙对换热器的换热能力影响不大,多缝隙会损失一部分换热量。