超临界水四棒束传热数值分析

超临界水冷堆(SCWR)开发的关键是棒束内超临界水(SCW)的热工水力特性。本文针对超临界水四棒束流动传热实验进行CFD数值模拟,SSG湍流模型的计算结果与实验结果吻合良好。分析结果表明,流动方向对棒束截面内流量分布有显著影响。与下降流相比,尽管上升流时棒束间流动搅混较弱,但上升流时棒束截面流量及壁面周向温度分布更加均匀,加热棒壁面温度更低。可见,棒束横截面上的流量分布是影响加热棒壁面流动传热的主要因素。     

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。     

2×2棒束内超临界水传热特性数值研究

复杂通道是介于典型通道和典型栅元之间的几何结构,在通道形状、加热方式等方面更接近于原型组件。本文以小棒束2×2结构为分析对象,采用计算流体力学(CFD)工具分析组件内的温场特征,并讨论热流密度、质量流速等热工参数对通道平均换热系数的影响。结果表明,减小热流密度、增加质量流速都会增强换热。棒束结构的壁面温度分布存在明显的周向不均匀性,固体壁面导热会有效抑制这种周向不均匀性,进而增强通道的换热能力。     

燃料棒束对称近壁子通道内湍流结构的模拟实验研究

描述了棒束子通道内流速分布,壁面剪应力分布和湍流雷诺应力张量分布的实验研究。由四根棒组成的棒束平行对称地布置在一个矩形流道内。试验棒的中心距与棒直径之比为:P/D=1.148,而壁距与棒直径之比分别为W_1/D=1.045和W_2/D=1.074。两种不同几何条件下,实验中雷诺数分别为6.11×10~4和7.07×10~4。实验结果表明,棒束子通道内的湍流结构与圆管内的湍流结构有很大差别。特别是在棒和通道壁之间的窄缝区存在着相当强的轴向和周向湍流强度,因而那里也有相当强的湍流动能,这显然是由于通过棒-壁窄缝处强烈的湍流脉动流所造成的。和过去进行的非对称布置的子通道实验(子通道具有相同几何参数P/D及W/D,但与相邻子通道几何非对称地布置于同一矩形通道内)相比,发现对称子通道情况下子通道之间通过棒-棒窄缝处的湍流动量迁移则很小,可以忽略不计。壁面剪应力分布的实验值和用VELASCO程序计算结果相对比,发现两者之间有明显的差异,尤其是在棒-壁窄缝区,差异更大。建议有必要发展比现有程序更为完善的分析计算程序,以便提高对棒束子通道湍流流动的计算精度。     

燃料棒束对称近壁子通道内湍流结构的模拟实验研究

描述了棒束子通道内流速分布,壁面剪应力分布和湍流雷诺应力张量分布的实验研究。由四根棒组成的棒束平行对称地布置在一个矩形流道内。试验棒的中心距与棒直径之比为:P/D=1.148,而壁距与棒直径之比分别为W_1/D=1.045和W_2/D=1.074。两种不同几何条件下,实验中雷诺数分别为6.11×10~4和7.0×10~4。实验结果表明,棒束子通道内的湍流结构与圆管内的湍流结构有很大差别。特别是在棒和通道壁之间的窄缝区存在着相当强的轴向和周向湍流强度,因而那里也有相当强的湍流动能,这显然是由于通过棒-壁窄缝处强烈的湍流脉动流所造成的。和过去进行的非对称布置的子通道实验(子通道内有相同几何参数P/D及W/D,但与相邻子通道几何非对称地布置于同一矩形通道内)相比,发现对称子通道情况下子通道之间通过棒-棒窄缝处的湍流动量迁移例很小,可以忽略不计。壁面剪应力分布的实验值和用VELASCO程序计算结果相对比,发现两者之间有明显的差异,尤其是在棒—壁窄缝区,差异更大。建议有必要发展比现有程序更为完善的分析计算程序,以便提高对棒束子通道湍流流动的计算精度。     

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。      

2×2棒束内超临界水传热特性实验研究

以中国超临界水冷堆（CSR1000）燃料组件研发为研究背景，采用实验辅以理论分析的方法，开展2×2棒束结构内超临界水工质的传热特性研究。实验工况范围为:压力（P）23~25 MPa；质量流速（G）680~1400 kg/(m2?s)；热流密度（q）174~968 kW/m2。实验结果表明，随着q的增加、G的减小，2×2棒束的传热性能减弱；随着P从23 MPa变化到25 MPa，2×2棒束的传热性能变化微弱； 2×2棒束内超临界水的传热特性既与边界层和主流的物性差异程度有关，又受流道各子通道之间的流动传热不均匀性影响；基于实验数据进行多元线性回归分析，获得2×2棒束内超临界水换热关系式，约88.9%的实验数据与该换热关系式的计算值偏差范围在±25%内。      

棒束通道内混合对流传热实验研究

以自然循环下堆芯内可能会发生的低流量传热为研究背景,对5×5棒束通道内的混合对流传热现象进行了实验研究。实验压力为6 MPa, 质量流量为25~150 kg/(m2·s),热流密度为25~300 kW/m2,实验雷诺数Re为1000~30000,浮升力参数Bo*为2×10-7~3×10-3。实验发现,随着Bo*的增大,棒束通道内传热产生先弱化后强化的趋势。浮升力对棒束通道内传热造成影响的起始点为Bo*=3.5×10-6,当Re >15000时,浮升力依然可对传热造成弱化现象。基于实验数据,提出了适用于棒束通道的混合对流经验关系式。      

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。