压水堆燃料棒束通道内过冷沸腾分析

使用Fluent14.5两流体模型中的RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)壁面沸腾模型,对堆芯燃料棒束通道内过冷沸腾现象进行数值模拟,得到了通道内的流场、温度场以及空泡份额的分布,分析了定位格架和搅混翼的存在对热工水力特性的影响。数值结果表明,格架的存在会造成很大的压降,而搅混翼会对流场、温度场和空泡份额分布产生显著影响;RPI壁面沸腾模型的模拟结果与Bartolemei试验数据符合很好。     

5×5全长棒束组件通道过冷沸腾工况下均匀与非均匀轴向功率分布对比分析

压水堆燃料组件结构采用正方形排列的棒束形式,本文采用计算流体力学（CFD）方法对5×5全长棒束中过冷沸腾传条件下的均匀轴向功率分布（U-APD）和非均匀轴向功率分布（Non-U-APD）工况进行了热工水力性能对比分析。分析结果表明,所采用的壁面沸腾模型、相间作用力界面力模型和气泡尺寸分布模型能够较好地预测5×5全长棒束组件通道过冷沸腾工况的传热过程。通过对比发现Non-U-APD工况下,棒束通道内平均空泡份额起始点较均匀加热工况提前,增长速度较U-APD工况更快。在子通道平均值方面,Non-U-APD工况下角通道末端平均空泡份额要高于U-APD工况,而中心通道基本相同。Non-U-APD工况下,在第5个和第6个搅混格架（MVG）下游,文中所分析的角通道和中心通道的液相质量流速逐渐低于U-APD工况。      

高压条件下燃料组件内过冷沸腾过程传热不均匀性研究

基于流体动力学软件Fluent中的流体体积函数（VOF）两相流模型，通过编写用户自定义函数（UDF）程序添加控制方程源项，建立过冷沸腾模型，对压水堆带定位格架的5×5燃料组件棒束通道内的过冷沸腾现象进行数值模拟。根据模拟结果，从空泡份额、燃料棒周向传热方面对比分析各个子通道内传热特性。研究发现各子通道内空泡份额的分布不均匀性较大，同样加热条件下，边通道的沸腾程度高于角通道。此外，对棒束周向的传热特性进行了分析，燃料棒周向努塞尔数呈不均匀性分布，燃料棒0°、90°、180°、270°等方向附近的传热能力较强，其相应的横向速度较大，对应的沸腾程度较强。      

花瓣形燃料元件棒束通道内过冷流动沸腾特性数值研究

花瓣形燃料元件具有换热性能强和无需定位格架等优点，能进一步提高反应堆的功率密度和经济性。为此，本文利用欧拉两流体模型，同时结合RPI壁面沸腾模型，对2×2花瓣形燃料元件棒束通道内过冷流动沸腾特性开展数值研究。通过圆管过冷沸腾实验数据验证了模型的准确性。开展了流速和热流密度参数对花瓣形燃料元件棒束通道内流动、换热及空泡份额分布影响的数值研究。结果表明，通道内冷却剂的流动速度分布不均匀；横向流动沿主流方向存在波动；空泡份额在燃料元件的内凹弧与外凸弧处表现出较大差异；同时，由于流场和换热形式的不同，导致燃料元件的周向壁面温度呈现不均匀分布，横向流动的存在影响着壁面热流分配情况。     

全长尺寸5×5格架棒束通道两相流动特性研究

采用两相计算流体动力学(CFD)分析的方法,对全长尺寸格架棒束通道内过冷沸腾两相流动进行了数值模拟。将模拟得到的棒束通道中心4个子通道的平均空泡份额与实验值进行对比发现,在高空泡份额区域与实验值符合较好;在低空泡份额区域,计算值略高于实验值。两相CFD方法模拟得到了棒束通道内空泡份额的详细分布,观察到格架上游空泡份额集中在加热棒的周围,但在格架下游,子通道中心的空泡份额增加,加热棒周围的空泡份额减小,间接地证明了格架对临界热流密度(CHF)的提升作用。     

基于丝网传感器的5×5棒束通道空泡分布测量研究

为研究压水反应堆燃料组件棒束通道内的两相分布规律,设计并制造了适用于棒束通道的丝网传感器模块,开展了5×5棒束通道内空气-水泡状流的空泡分布测量实验,分析了棒束通道内空泡份额的分布规律及气泡尺寸对空泡分布的影响。实验结果表明,发生横升力方向反转的小气泡在壁面附近聚集、大尺寸气泡则聚集在子通道中心;常温常压下发生横升力方向反转的临界气泡直径在4~6 mm之间,证明了横升力模型在棒束通道中的适用性。      

带MVG和MSMG的5×5全长棒束单相流场和温度行为数值分析

定位格架作为燃料组件的关键部件之一，直接影响到燃料组件的热工性能。本文对带结构格架（MVG）和跨间搅混格架（MSMG）的5×5全长加热棒束单相流场和温度场采用计算流体力学（CFD）程序进行数值分析研究，获得该特征棒束组件出口二次流场以及温度场分布特性。研究表明，定位格架下游流场受定位格架和距离的影响，定位格架上游流场对下游二次流几乎无影响，定位格架导致流体强烈的横向二次流，增强了流体和加热棒之间的换热能力，使得棒束子通道截面流体温度更加均匀。与5×5全长棒束出口子通道温度的实验数据对比分析表明，获得的计算模型可以较好地分析该型棒束组件结构温度场行为。      

燃料棒束换热(RBHT)试验对低压下堆芯漂移流模型的评价

我国目前正在发展基于非能动技术的三代核电,为评价和改进非能动核电厂小破口失水事故在低压下棒束区的漂移流模型,采用燃料棒束换热(RBHT)试验对EPRI[6]、Cunningham-Yeh[4]模型,Bestion[7]漂移流模型进行了计算分析,结果表明燃料棒束换热试验RBHT试验数据工况能涵盖非能动核电厂在低压下的参数,不需要建造针对燃料棒束的试验台架,Cunningham-Yeh[4]和Bestion[7]漂移流模型基本适用,而EPRI[6]在低压区过高预测了空泡份额,不适用非能动核电厂。     

棒束中高含气量空泡份额计算模型适用性的研究

在子通道分析程序中,空泡份额计算模型对两相流的分析预测结果有显著影响.在较高含气率条件下,空泡份额计算模型在子通道分析程序COBRA中的适用性并没有经过充分的验证.本文用COBRA程序中自带的空泡份额计算模型与选自文献的4个空泡份额模型,对4×4棒束的气.液两相流进行子通道分析.结合实验数据,选取相对焓升和相对质量流速比,对预测结果进行分析评估.结果表明,在本文的计算范围内,Dix模型和滑速比S=1.5时的滑速比模型的预测结果最优.     

带7道格架的5×5棒束两相性能CFD分析

采用两相计算流体动力学（CFD）方法进行带7道格架的5×5棒束两相性能研究，其中结构搅混格架（MG）和跨间搅混格架（MSMG）交替布置，计算考虑汽泡合并与破裂、热量传递，但不考虑相间的质量传递。为选择合理的两相模型参数，首先以带2道格架（MG、MSMG）的AFA3G燃料组件5×5棒束架为研究对象，对最大气泡直径、汽泡合并破裂系数、非曳力模型及曳力模型、入口气泡直径、入口空泡份额分布等进行了敏感性及不确定性分析。此后采用该两相模型设置，针对带7道格架的AFA3G燃料组件进行了两相性能研究，计算结果显示格架间的各项参数不存在完全一致的周期性，但同种格架上游的空泡份额分布具有一定的相似性，因此用于两相性能评价可计算带2~3道格架的棒束，该研究可用于带格架棒束两相计算的模型设置与几何规模选择，为下一步采用两相CFD计算建立燃料组件热工水力性能评价准则奠定了基础。最后比较了AFA3G燃料组件及改进型燃料组件两种格架的空泡分布特性，并从提高燃料组件临界热流密度（CHF）特性的角度对其进行评价，获得与实验一致的结论，证明了评价方法的正确性。      

自然循环系统摇摆条件下棒束通道内传热特性研究

棒束燃料元件子通道间流体存在搅混与横向二次流,流动及阻力特性相较矩形通道、圆管等简单通道更为复杂。核动力舰船、船舶、小型浮动核电站等会受到海浪影响,经常处于倾斜、摇摆、垂荡等瞬变运动下。目前的相关研究多集中在低压工况的研究领域,高温高压自然循环运动条件下的研究较少。本文采用实验研究方法,对自然循环系统摇摆条件下棒束通道内流动传热特性进行了研究,获得了过冷沸腾和饱和沸腾两种条件下摇摆角度和摇摆周期对棒束壁面温度变化和传热系数的影响,并获得了摇摆周期内棒束通道内的传热系数计算关系式。结果表明,饱和沸腾传热系数变化比过冷沸腾的剧烈;在本文实验工况范围内,棒表面传热系数波动幅值随着摇摆幅度的增大而增大;摇摆条件下棒束通道过冷沸腾和饱和沸腾工况时均传热系数基本不变。     

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。     

Three-dimensional time-averaged void fraction distribution measurement technique for BWR thermal hydraulic conditions using an X-ray CT system

We have developed a void fraction distribution measurement technique using the three-dimensional (3D) time-averaged X-ray computed tomography (CT) system to understand two-phase flow behavior inside a fuel bundle for boiling water reactor (BWR) thermal hydraulic conditions of 7.2 MPa and 288 °C. As a first step, we measured the 3D void fraction distribution in a vertical square (5?×?5) rod array that simulated a BWR fuel bundle in the air–water test. A comparison of the volume-averaged void fractions evaluated by the developed X-ray CT system with those evaluated by a differential pressure transducer showed satisfactory agreement within a difference of 0.03. Thus, we confirmed that the developed system could be used to get 3D imaging of the vertical square rod array used in the test under the BWR operating pressure condition. In the next step, we did a verification test using the vertical pipe (11.3 mm ID) for BWR thermal hydraulic conditions. A comparison of the cross-sectional-averaged void fractions evaluated by the X-ray CT system with those evaluated by the drift-flux model showed good agreement within a difference of 0.05. We confirmed that the evaluated void fraction distribution forms in the horizontal cross section changed with the quality in response to the flow regime transition.     

CFD modelling of subcooled boiling—Concept, validation and application to fuel assembly design

The paper describes actual Computational Fluid Dynamics (CFD) approaches to subcooled boiling and investigates their capability to contribute to fuel assembly design. In a prototype version of the CFD code CFX a wall-boiling model is implemented based on a wall heat flux partition algorithm. It can be shown, that the wall boiling model is able to calculate the cross sectional averaged vapour volume fraction of vertical heated tubes tests with good agreement to published experimental data. The most sensitive parameters of the model are identified. Needs for more detailed experiments are established which are necessary to support further model development. The model is applied for investigation of the phenomena inside a hot channel of a fuel assembly. Here the essential phenomenon is the critical heat flux. Although subcooled boiling represents only a preliminary state towards the critical heat flux occurrence, essential parameters like swirl, cross flow between adjacent channels and concentration regions of bubbles can be determined. By calculating the temperature of the rod surface the critical regions can be identified which may later on lead to departure from nucleate boiling and possible damage of the fuel pin. The application of up-to-date CFD with a subcooled boiling model for the simulation of a hot channel enables the comparison and the evaluation of different geometrical designs of the spacer grids of a fuel rod bundle.     

棒束通道定位格架沸腾临界特性数值研究

为研究核反应堆中定位格架及搅混翼对沸腾临界现象产生的影响，本文采用计算流体动力学（CFD）分析方法，探讨了棒束通道中定位格架的数目、位置和搅混翼的角度对于沸腾临界现象的影响。结果表明:定位格架会对主流流动产生阻力，同时定位格架数目越多，沸腾临界发生的温度也越高，但将定位格架布置在沸腾临界发生位置时，则可有效改善壁面传热环境并降低沸腾临界发生时的峰值温度。搅混翼的存在则会有效降低加热面附近空泡份额，改善传热环境，但搅混翼角度过大时会导致沸腾临界提前发生。      

5×5棒束通道中简单支撑格架对流动过冷沸腾传热的影响分析

采用壁面热分配模型(即RPI模型)对PSBT基准题中的5×5均匀加热全长棒束过冷沸腾传热进行了数值模拟研究。重点分析了加热段末端搅混格架（MVG）下游简单支撑格架（SSG）对棒束通道内流动过冷沸腾传热特性的影响。在水力特性方面，研究发现SSG的形阻压降约为MVG的53%，且对棒束通道内的横向流动具有显著抑制作用。为反映SSG对搅混过程的影响，采用子通道平均横流速度比沿轴向的发展过程对其进行了分析。分析发现，在SSG附近横流速度比迅速衰减，衰减后的横流速度比与光棒束时的大小相当。由于SSG对横流过程的破坏，改变了发热表面的传热特性，在其下游气相迅速包覆加热表面，蒸发热流密度较无SSG情况偏高5%，加热段末端空泡份额偏高0.006，壁面过热度偏高0.3 ℃。     

Effect of Moderator Density Distribution of Annular Flow on Fuel Assembly Neutronic Characteristics in Boiling Water Reactor Cores

The effect of the moderator density distribution of annular flow on the fuel assembly neutronic characteristics in a boiling water nuclear reactor was investigated using the SRAC95 code system. For the investigation, a model of annular flow for fuel assembly calculation was utilized. The results of the assembly calculation with the model (Method 1) and those of the fuel assembly calculation with the uniform void fraction distribution (Method 2) were compared. It was found that Method 2 underestimates the infinite multiplication factor in the fuel assembly including the gadolinia rod (type 1 assembly). This phenomenon is explained by the fact that the capture rate in the thermal energy region in gadolinia fuel is estimated to be smaller when the liquid film of annular flow at the fuel rod surface is considered. A burnup calculation was performed under the condition of a void fraction of 65% and a volumetric fraction of the liquid film in liquid phase of 1. It is found that Method 2 underestimates the infinite multiplication factor in comparison to Method 1 in the early stage of burnup, and that Method 2 becomes to overestimate the factor after a certain degree of burnup. This is because Method 2 overestimates the depletion rate of the gadolinia.