三维颗粒有序堆积多孔介质内强制对流换热数值研究

采用N-S方程和RNGk-ε湍流模型及比例缩放的壁面函数法对三维圆球颗粒有序堆积多孔介质孔隙内的强制对流换热进行了数值研究。详细研究了Re数变化及不同颗粒堆积方式对多孔介质强制对流换热性能的影响。计算结果表明:在相同条件下,通过对颗粒进行合理有序堆积,可以使相应多孔介质内的压降显著降低,其综合换热效率明显提高;传统经验公式用于颗粒有序堆积多孔介质须进行合理修正;在不同堆积方式中,简单立方体均匀堆积(SC)模型的综合换热效率最高;在相同堆积方式下,均匀颗粒堆积多孔介质内的综合换热性能明显高于非均匀颗粒堆积多孔介质。     

高温气冷堆中间换热器层流边界层的传热特性分析

为提高高温气冷堆中间换热器的换热效率,对中间换热器单元流道的层流流动边界层及热边界层进行了理论计算和模拟分析。利用幂次多项式速度分布的方法,对流道内的层流流动边界层和热边界层进行计算,结果表明,三次式的速度分布更为接近Blasius精确解,也更为符合数值模拟的结果。同时,结合不同位置的温度分布,可发现上、下边界层的相遇会使流动进入泊肃叶的抛物线形式,边界层理论继而不再适用。通过模拟还发现,氦气的进口温度和出口压力对于层流边界层的换热基本无影响;恒定热流密度下,壁面温度的变化分为明显的边界层区和泊肃叶区,在这两个区域壁面温度呈线性变化。     

5×5棒束通道内流动转捩特性研究

棒束通道的特殊结构导致其内部流动转捩情况较为复杂，探究其内部流动转捩规律具有重要意义。本文针对棒束通道内的流动转捩特性开展实验与CFD模拟研究，通过实验获得了棒束通道内沿程阻力系数的变化规律；采用不同湍流模型进行了数值模拟。结果表明，SST k-ω模型能较好地反映实验结果。进一步对比了不同雷诺数工况下通道内不同位置的沿程阻力系数与湍流强度，发现对于不同子通道，中心子通道湍流强度与沿程阻力系数高于边角子通道；对于同一子通道，子通道中心处湍流强度与壁面切应力高于子通道边缘处。这一结果说明，受壁面影响，棒束内湍流强度、壁面切应力、阻力特性具有不均匀性，这些空间上的不均匀性相互作用会引起总体上棒束转捩点不明显。     

CAP1000反应堆堆内构件在直接安注下流动传热特性研究

在CAP1000反应堆中，使用了压力容器直接安全注射方式。由于安全注射管嘴和堆内构件的布置方式可能导致堆内构件承受较强的低温水影响，本文研究了吊篮外壁上布置的关键部件的表面温度分布及对流换热能力。使用缩比模型实验测量了堆内构件关键部位在不同安全注射条件下的壁面温度分布和换热系数，使用数值分析获得了堆内构件表面整体温度分布和换热系数。研究得到了辐照监督管顶部等危险区域上几个关键点的壁面温度和换热系数与安全注射条件间的无量纲关联式。      

单盒钠冷快堆燃料组件堵流事故的CFD分析

钠冷快堆大都采用金属绕丝来固定燃料组件，细长狭窄的流道容易积聚腐蚀沉积物，可能会引起钠的局部沸腾和包壳的传热恶化。本文利用商用计算流体动力学软件STAR-CCM+程序对中国实验快堆单盒燃料组件的堵流事故进行了数值模拟，分析了包壳内壁面温度与冷却剂在堵块附近的轴向流场分布，并与正常工况下的计算结果进行对比。计算结果表明：实心介质堵流危害比多孔介质更为严重；实心介质堵流事故的包壳峰值温度局部最高点始终位于堵块中心位置，而多孔介质堵流事故的位于堵块后方，且随堵块面积的增大而往下游偏移；堵块的孔隙率对包壳在堵块下游的最大温升有明显影响，随堵块孔隙率的增大而减小。     

竖直矩形腔内有均匀容积热源时的自然对流换热研究

本文利用Mach-Zehnder干涉仪对竖直矩形腔内有均匀容积热源时的自然对流换热进行了实验研究,矩形腔的两侧壁为相等温度的恒壁温边界条件,水平壁绝热,截面尺寸比AR=3.2,介质为水,Pr=8.4。结果表明:在实验条件下,当R_(α(?))较小时,腔内流动近于基础流动(Base flow),当R_(α(?))较大时,呈现出边界层流动(Boundary Layer flow)的性质;当R_(α(?))≤10~4时,腔内的流动和换热受导热机理的控制,当R_(α(?))>10~5时,腔内的流动和换热受对流的控制;从局部Nu数的变化规律看出此时腔内产生的热量大部分是从上半壁面传出的。本文给出了沿壁面局部Nu数的经验公式。局部Nu数的最大值总是出现在壁面受到来自核心区高温液体直接冲刷的位置处。本文还建立了数学模型,用有限差分法进行了数值求解,数值解与实验吻合良好。     

起泡条件下矩形窄缝通道内压力场和温度场数值模拟

当矩形窄缝通道由于辐照肿胀产生形变出现起泡结构时,通道内流动传热特性会发生改变。本文采用数值计算方法分析了起泡条件下矩形窄缝通道内流体压力场和温度场分布。结果表明,起泡对流体的阻碍作用会导致流体在第一个起泡前出现压力高点。经过每一个起泡,局部压降均会先飞升后突降,起泡处流体温度上升,壁面温度下降。通过模型计算分析获得了起泡条件对压力场和温度场的影响规律。     

带定位格架的类三角形子通道内超临界水流动传热数值研究

针对超临界反应堆类三角形子通道的传热和流动特性,数值研究了不同栅距比定位格架作用下子通道内超临界水的流动传热特性、二次流及流动阻力特性。研究结果表明:定位格架对子通道内超临界水的换热影响显著;不同栅距比下的壁面温度、换热系数的轴向分布都具有相同的趋势,定位格架附近壁面温度下降,换热系数上升;定位格架下游壁面温度分布不均匀,且不均匀程度随栅距比减小而更加明显;定位格架下游截面形成四个对称旋涡,栅距比较小时,二次流强度较大;不同栅距比堆芯子通道流动阻塞率不同,流动阻力随栅距比减小而增大。     

光滑方环管内超临界水传热周向不均匀性数值分析

采用流-固耦合的方法,利用计算流体力学程序(CFX)软件,对方环管内超临界水传热特性进行数值模拟研究,得到方环管内加热管的温度分布,并对加热管温度分布的周向不均匀性进行分析评价.计算结果表明,方环管内加热管的外壁面温度的周向不均匀性高于内壁面,内壁面的温度周向不均匀性非常低,壁面周向平均温度满足一维导热公式.窄通道与角通道处流体先后通过拟临界区域,促使加热管外壁面温度的周向不均匀性随主流体比焓值的增加出现3个不同变化特征的区域.等壁面热流密度条件下,计算结果与等体积释热率条件有较大程度的不同.等体积释热率的假设与实际情况更加接近,说明实际情况下固体内部存在周向导热,促使周向温度分布更加均匀.     

多孔介质通道中单相流动压降预测模型

与常规管通道相比较,流体在多孔介质通道中的流动过程更复杂,流动阻力也大幅增加,这就使得难以准确预测流体流过多孔介质通道时的压降。通过构建多孔介质通道的几何模型,并求解N-S方程,虽然可以准确预测阻力压降,但计算时需要划分大量的网格,很难广泛应用。本文在相似理论基础上,以Fluent 6.3为平台,建立了颗粒填充多孔介质通道的压降预测模型,通过求解3维N-S方程,对模型中单相水的绝热流动进行了数值模拟。通过与实验结果进行比较,证明该预测模型对于不同工况下单相流体的压降计算具有较高的计算精度,误差范围小于5%。     

骨架发热多孔介质方腔内非达西自然对流的数值研究

本文利用局部非热平衡模型,对骨架发热多孔介质方腔内的非达西自然对流进行了数值研究.方腔上下壁面绝热、左右壁面维持恒温T0.采用Brinkman-Darcy-Forchheimer模型来描述多孔介质内的流动,当有效导热系数比(0.001≤γ≤1.0)和无量纲容积换热系数(1.0≤H≤1000)在较宽的范围内变化时,计算研究了不同的有效导热系数比和无量纲容积换热系数对方腔内流动换热的影响.数值模拟结果表明:在有效导热系数比γ=1.0和无量纲容积换热系数H=1000时,局部热平衡模型是成立的;而对其他情形,必须采用局部非热平衡模型才能准确地预测出方腔内的流动换热特性.     

竖直与倾斜条件下3×3棒束通道内流场数值模拟研究

为了研究竖直及倾斜条件对堆芯热工水力特性,采用RANS模拟对棒束通道进行了数值模拟,分析了静止及倾斜条件下棒束通道内流场特征及温度分布。模拟结果表明:在入口流速相同的情况下,倾斜会使棒束通道间隙处主流速度略微减小,且倾角越大,间隙处主流流速越大。倾斜条件使得棒束通道内温度场分布发生改变,随着倾斜角度的不断增大,主流最大温度不断增加,导致棒的壁面温度增大,不利于反应堆安全。     

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。     

环形通道内液态金属钠流动传热特性数值模拟

利用数值方法，使用商用软件ANSYS CFX，针对内径4~10 mm、外径7~20 mm的环形通道内不同边界条件下单相钠的流动和传热特性进行了研究，分析了流速、入口温度、内壁面热流密度和外壁面热流密度等对其流动传热的影响。结果表明，环形通道间隙对液态金属钠流动和传热影响较大，热流密度对其影响较小。将计算结果与文献中理论和实验结果进行了比较和分析，得出环形通道内液态金属钠的传热关系式。数值模拟结果与文献实验结果吻合较好，总体趋势符合良好。      

紧密栅元棒束通道内的传热流动数值模拟

对紧密栅元棒束中心通道和壁面通道内空气的传热流动行为进行了数值研究;结合实验数据对壁面温度、剪应力、流体温度和速度以及湍动能等参数进行了分析.结果表明:随着节径比(PID)的减小,紧密栅元棒束通道内参数的不均匀性会增加,在通道的间隙区会出现壁面温度的峰值.在紧密栅元组件的设计中应该考虑这种间隙区的高温点分布;通道壁面的...     

单盒钠冷快堆燃料组件堵流事故的CFD分析

钠冷快堆大都采用金属绕丝来固定燃料组件,细长狭窄的流道容易积聚腐蚀沉积物,可能会引起钠的局部沸腾和包壳的传热恶化。本文利用商用计算流体动力学软件STAR-CCM+程序对中国实验快堆单盒燃料组件的堵流事故进行了数值模拟,分析了包壳内壁面温度与冷却剂在堵块附近的轴向流场分布,并与正常工况下的计算结果进行对比。计算结果表明:实心介质堵流危害比多孔介质更为严重;实心介质堵流事故的包壳峰值温度局部最高点始终位于堵块中心位置,而多孔介质堵流事故的位于堵块后方,且随堵块面积的增大而往下游偏移;堵块的孔隙率对包壳在堵块下游的最大温升有明显影响,随堵块孔隙率的增大而减小。     

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。      

无内热源有序饱和多孔介质通道内气液两相流阻力特性研究

对无内热源有序饱和多孔介质内蒸汽-水两相流阻力特性进行了实验研究,在多孔介质通道内蒸汽-水两相受力分析的基础上,结合实验数据,得到了多孔介质内空泡份额及气液两相相间作用关系式,通过分析热工水力特征参数和多孔介质几何特征参数对两相流阻力特性的影响,得到了多孔介质内蒸汽-水两相流阻力关系式。结果表明,本文提出的两相流阻力关系式计算结果与实验结果符合良好,且优于其他关系式。本研究结果为进一步开展含内热源多孔介质内气液两相流阻力及传热特性研究提供了实验技术及理论依据。     

大宽高比矩形窄缝通道沸腾起始点实验研究

矩形窄缝通道中的泡核沸腾起始点（ONB）预测对反应堆安全设计十分重要。针对通道尺寸为50 mm×3 mm×1000 mm的竖直矩形窄通道,以去离子水为介质,通过监测壁面温度变化确认ONB的位置,研究了热流密度、质量流速、压力、入口过冷度等参数对ONB发生位置和壁面过热度的影响。收集并评价了已有的8个ONB预测模型,结合实验数据分析得到结论：基于池沸腾的ONB预测模型及其改进模型不能很好的适用于矩形窄通道内,尤其是针对质量流速带来的影响。一些针对矩形通道ONB预测开发的模型可以一定程度上反映ONB点壁面过热度随不同参数变化的发展趋势,但由于实验参数范围不够宽,适用范围和预测精度仍受到限制。结合影响矩形窄缝通道ONB发生的主要因素,推导了适用于计算宽谱参数工况下矩形窄通道中ONB点壁面过热度的解析解形式,并利用实验数据进行了拟合,新关系式超过95%的预测结果与实验结果偏差小于±20%。同时新关系式对其他相关公开文献的ONB数据预测仍在较好的误差范围内。     

熔盐冷却球床堆热通道热工水力特性数值分析

基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)通用计算程序Fluent,研究了模块化熔盐冷却球床堆(Pebble Bed Advanced High Temperature Reactor,PB-AHTR)中心热通道稳态热工水力行为。利用已开发的多孔介质流固两相局域非热平衡模型计算了球床堆中的压降、冷却剂的温场分布以及固相球床的温场分布,计算并比较了不同的多孔介质阻力因子(Ergun与KTA)对通道内的冷却剂流动以及温场分布的影响,并对丧失部分冷却剂情况下通道内的冷却剂及燃料温度进行了计算分析。结果表明使用不同的阻力因子对堆芯压降计算结果和流场的分布影响较大;而冷却剂温场及固相球床温场和球心的温度分布在不同的阻力因子下的差别较小,在PB-AHTR的设计参数下堆芯产生的热量能够被有效的输出,设计具有较大的安全裕度。计算结果对于球床堆的优化设计提供了一定的参考价值。