两流程2×2棒束超临界水传热实验研究

为支持欧盟2×2燃料组件入堆考核实验,开展了2×2棒束内超临界水传热实验研究。设计了两流程实验段,两流程之间通过矩形金属框隔离。2×2加热棒束通过定位格架安装在金属框中,超临界水通过第1流程向下流动然后进入第2流程冷却加热棒,第1流程通过金属框吸收第2流程流体的热量而温度升高。在2×2棒束横截面上存在明显的周向温度分布不均匀性。系统分析了实验参数包括质量流速、热流密度和实验压力对棒束平均换热系数的影响。结果表明,系统参数对棒束传热的影响规律与对单管和环管的一致。     

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。      

含绕丝2×2棒束内超临界水传热试验研究

以超临界水冷堆燃料性能验证试验为背景,对带有螺旋绕丝的2×2棒束内超临界水的传热特性进行了试验研究。试验参数范围为：压力23～28 MPa,质量流速400～1 000 kg/(m²•s),壁面热流密度200～1 000 kW/m²。通过试验,获得了加热管周向壁温的分布规律,并分析了热流密度、质量流速、压力、螺旋绕丝对壁温和换热系数的影响。研究结果表明,加热管周向壁温呈现非均匀、非对称分布的特性,最高壁温出现在边角子通道或螺旋绕丝覆盖的位置。在拟临界区,换热系数随热流密度的升高或质量流速的降低而迅速减小,而随压力的变化较微弱。相对于光滑2×2棒束,螺旋绕丝不仅改变了周向壁温分布规律,同时也提高了平均换热系数。     

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。     

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。      

棒束内超临界水传热实验研究

在中国广核集团有限公司和上海交通大学共建的超临界水多功能实验装置上,针对两种不同节径比(P/D)的棒束通道开展了超临界水流动传热实验,获得了传热实验数据,观测到了通道内棒束间明显的周向温度不均匀现象和定位格架导致的传热强化现象。通过对各种热工水力参数的实验研究,得出超临界水流动传热结论:随热流密度的增加,传热系数逐渐减小,棒束壁温周向不均匀程度逐渐增加;随质量流速的增加,传热系数逐渐增大,棒束壁温周向不均匀程度逐渐减小;随压力的逐渐升高,传热系数少许降低;随P/D的减小,棒束通道内的传热明显增强。     

2×2稠密棒束内超临界水的传热特性试验研究

在压力p=23～28 MPa、质量流速G=350～1 000 kg/(m²•s)、热流密度q=200～1000 kW/m²的试验参数范围内,对2×2棒束内超临界水的传热特性进行了试验研究。试验得到了加热管周向壁温分布规律,并就出现周向温度差异的原因进行了分析。此外,给出了压力、质量流速及热流密度等系统参数对平均传热特性的影响,分析了低质量流速下出现的传热恶化现象。试验结果表明：加热管周向壁温并不均匀,边角子通道壁温最高,中心子通道壁温最低,周向壁温的高低与横截面流通面积的不均匀性紧密相关。随着热流密度的提高或质量流速的降低,超临界水的传热受到抑制,当q/G增大到一定程度时,棒束内发生传热恶化。     

带定位格架的类三角形堆芯通道超临界水传热试验研究

针对带定位格架的超临界水冷堆堆芯垂直上升类三角形子通道,开展超临界水的流动传热试验研究。反应堆堆芯类三角形子通道棒束直径为8 mm、栅距比为1.4,试验参数范围为:热流密度q=200~600 kW/m2、压力P=23~28 MPa、质量流速G=700~1300 kg/(m2·s)。分析了热流密度、压力和质量流速等热工参数对超临界水传热特性的影响。试验结果表明:定位格架处质量流速升高,流体扰动性增强,换热系数提升显著;在超临界压力下,提高压力会导致内壁温度上升,换热系数峰值降低;过高的热流密度会导致换热系数峰值降低,适当减小热流密度可提高换热性能;提高质量流速会导致内壁温度降低,换热系数峰值上升,能够显著提高换热性能。压力变化对定位格架区域传热特性影响较小,适当提升压力可提高系统安全性。      

紧密排列棒束燃料组件临界热流密度实验研究

基于高转换比紧密布置堆芯研究背景,针对堆芯紧密排列螺旋绕肋棒束组件开展了临界热流密度(CHF)实验研究,获得了棒束在不同热工条件下临界热流密度。研究结果表明:紧密排列棒束燃料组件CHF主要发生在热棒元件,临界发生时加热元件壁面温度迅速升高,同时压力升高,流量降低;系统压力、质量流速、含汽率、入口过冷度等热工参数对组件临界热流密度影响较大;获得了CHF计算关系式,计算值与实验值偏差在±10%以内。     

5×5花瓣形燃料棒束组件内单相流动与换热特性数值模拟研究

相较于传统圆柱形燃料棒,花瓣形燃料棒具有安全裕量高等优点,研究其在压水堆运行工况下的热工水力特性具有重要意义。本文通过STAR-CCM+对5×5花瓣形燃料棒束组件进行数值模拟研究,计算并分析了组件内二次流速度、温度、换热系数等关键热工参数,获得了入口流速、螺旋节距对组件内部流动与换热特性的影响规律。计算结果表明：花瓣形燃料棒的螺旋结构可增强冷却剂的横向流动,同一高度上燃料棒表面温度分布具有周期性,增大入口流速可增强燃料棒的表面换热,消除温度分布的不均匀性。此外,螺旋节距大于750 mm,燃料棒换热性能与无扭转的燃料棒相差不大,甚至更低。     

棒束通道内过冷沸腾起始点的实验研究

本文以去离子水为实验介质,在进口温度80～100 ℃、质量流速0～100 kg/(m²•s)、热流密度0～80 kW/m²的条件下对棒束通道内的过冷沸腾起始点（ONB）进行了实验研究。分析了部分热工参数和棒束特殊的几何结构对ONB的影响,通过引入雷诺数,对棒束通道内ONB的数据进行非线性回归分析,得到适用于棒束通道ONB的经验关系式。结果表明：新拟合得到的关系式能较准确地预测棒束通道内ONB的热流密度,其预测值的相对误差为14.75%。     

含绕丝2×2棒束内超临界水传热特性数值研究

超临界水冷堆燃料组件多采用稠密栅格布置,用绕丝进行定位,绕丝可增强通道间的交混能力,对通道的换热特征会产生明显影响。以含绕丝的小棒束2×2组件为分析对象,采用计算流体动力学(CFD)方法分析超临界条件下绕丝对换热特征的影响。分析结果表明:绕丝会改善通道的换热能力,抑制周向不均匀分布,但也可能在局部产生壁温峰值。在数值计算中发现壁温峰值的成因有两类,并对二者的成因进一步叙述,分析绕丝结构参数对换热特性的影响。     

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.     

紧密排列螺旋绕肋燃料组件典型栅元研究

选取在通道形状、热工水力特性等方面接近原型组件的典型栅元,是反应堆的研究设计中重要的一环。通过适用于紧密排列螺旋绕肋组件的数值模拟方法,分析棒束规模对热工水力特性的影响。数值计算结果表明:与原型组件217棒束相比,19棒束组件的"冷壁效应"、"边壁效应"已经较弱,当量直径、阻力压降、中心通道无量纲质量流速、热通道的传热系数等关键参数的偏差小于13%,确定反映原型组件热工水力特性的典型栅元为19棒束组件。     

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...     

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。      

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。     

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。     

均匀加热全长棒束过冷沸腾工况子通道参数场计算分析

采用壁面热分配模型对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,分析了均匀加热全长棒束通道中不同子通道和加热元件表面参数沿轴向的发展过程和径向的分布特性。研究发现,角通道和边通道是弱对流区域,其质量流速低于棒束平均值,但由于冷棒功率偏低,消除了流动不均衡性对传热效果的影响。在棒束径向方向,不同位置子通道间参数场存在差异,这是由于位于搅混格架横向导流对角方向的通道具有更有效的通道间对流效果,其传热效果更好。这种流动特性引起的参数差异在角通道中尤为显著。热棒表面过热度明显高于冷棒过热度,且位于非搅混格架横向导流方向的热棒具有更高的壁面过热度。     

简单通道内超临界水传热特性实验研究

针对各国超临界水冷堆燃料组件设计方案,选取圆管、圆环形通道、方环形通道3种具有热工水力代表性的简单通道,开展超临界条件下水工质的传热特性实验研究。实验结果表明,热流密度、质量流速和压力3种热工参数对不同简单通道传热特性的影响趋势基本一致;在相同质量流速和压力下,换热系数在靠近拟临界温度处存在峰值,且随热流密度的增大而减小;在相同热流密度和压力下,相同主流体焓处对应的换热系数随着质量流速增加而增加;压力对超临界水传热特性影响较弱,仅在拟临界区域内换热系数峰值稍有不同;实验中出现了拟临界区域的传热恶化现象,传热恶化发生时壁温出现局部峰值。