球床模块堆停堆后自然对流传热特性数值研究

对冷却流体在球床模块堆内燃料颗粒填充区域中的流动和传热过程进行了研究.数值模拟突然停堆后燃料颗粒区在温差作用下的自然对流过程,分析了瑞利数Ra对燃料填充区域内流场、温度场和局部努塞尔数Nu以及壁面摩擦阻力系数的影响.计算结果表明:当球床模块堆突然停堆时燃料填充区域可形成加热壁面流体上升流动、冷却壁面下降流动的自然循环流动;随着Ra数增大,回流中心向上移动;沿轴向壁面局部Nusselt数和摩擦阻力系数存在极值,并且极值点随Ra数增大而向上移动;与氮气相比,氦气作为冷却介质停堆后具有更均匀的堆芯轴向温度分布.     

铅基反应堆严重事故下燃料迁徙行为机理实验研究

在铅基反应堆严重事故中，燃料颗粒在堆内迁徙过程中可能导致堆芯堵塞，存在重返临界的风险。为了获得液态铅铋合金（LBE）夹带金属颗粒的流动迁徙行为特性，本研究设计了石英玻璃可视化实验段，搭建了液态LBE夹带颗粒流动凝固行为可视化实验装置Eirene，开展了LBE在圆形通道内的流动凝固实验和LBE夹带不锈钢颗粒的流动凝固实验，获得了液态LBE流动凝固动态特性的影像数据、LBE进出口温度和管壁温度数据。由实验结果可知，颗粒球床的存在会严重阻碍LBE在玻璃管内的流动，且在球床密集区域极易形成凝固堵塞，大量颗粒停留在实验段中段，由外至内逐步形成堵塞。实验结果可为铅基反应堆严重事故分析模型验证提供支持。     

HTR-PM反应堆舱室自然对流特性数值分析

为研究HTR-PM反应堆舱室自然对流特性,本文分别就黑度系数、辐射模型、流动模型及壁面处理方式等进行了讨论,摸索出适用于HTR-PM反应堆舱室自然对流数值分析的模型。利用该模型,对影响反应堆舱室自然对流的内外壁面温差、径向间距与环形空间高度比、水冷壁钢板高度与环形空间高度比、内外壁面半径比和内壁面温度不均匀分布等5个因素进行数值分析,并对部分因素给出相关的拟合公式,对于HTR PM反应堆舱室设计、分析具有一定的参考价值。     

TMSR-SF球床随机堆积结构的离散元模拟

中国科学院上海应用物理研究所设计的10 MW固态燃料钍基熔盐实验堆(Thorium-based Molten Salt experimental Reactor with Solid Fuel,TMSR-SF)是一种球床型氟盐冷却高温堆,其三维球床随机堆积结构对于堆芯反应性变化和换料分区方案以及热工水力分析中的流动传热都具有重要的影响。为了研究TMSR-SF堆芯球床随机堆积规律,基于PFC3D(Particle Flow Code 3 Dimensional)程序,分别计算并分析了填充颗粒球大小、颗粒间摩擦系数以及填充颗粒球数对球床稳态堆积结构的影响。结果表明:填充直径小的颗粒球,可使球床孔隙率振荡减弱,有利于堆芯功率密度分布的展平;通过减小颗粒间摩擦系数能较好地模拟振动压实效果,压实过程中颗粒间摩擦系数与稳态堆积球床孔隙率和配位数满足负指数关系。当填充颗粒球数超过约8 000个后,球床平均孔隙率和配位数变化趋于恒定,分别稳定在0.43和5.6左右;此时颗粒球数量对球床稳态堆积结构的影响降至最低,可被用来代替满装堆时的球床用于TMSR-SF自然循环的热工水力数值分析,达到节省计算资源的目的。本研究对理解TMSR-SF堆芯球床结构特性与堆积规律具有参考价值。     

含内热源多孔介质的局部换热特性实验研究

建立了含内热源的多孔介质模型.该模型以水作为流动介质,流道内填满金属颗粒球,金属颗粒球呈正三角形排列.作为内热源的金属球内镶嵌电阻丝.在此模型的基础上,通过实验研究了流速、金属球壁面温度对含内热源多孔介质局部换热特性的影响规律.研究结果表明:压力对换热特性几乎没有影响;低热流密度下,表面热流密度对换热特性没有显著的影响;高热流密度时,换热系数随热流密度的增大而增加;冷却剂进口温度与换热系数成反比;球层区有入口效应存在,但是影响区域明显小于管内流体的流动区域;获得了幂指数形式的无量纲换热准则关联式,预测值与实验值误差在±10%以内.     

二维球流运动摩擦系数影响的数值模拟

为研究摩擦系数对球流运动的影响，参照二维堆芯球流运动实验台架，采用离散单元法对球流运动进行了数值模拟，并对从标记点产生的球流区域的均值流线、标准方差和平均停留时间等进行了比较和分析。结果表明：球的摩擦系数对球流流场影响不大；球的摩擦系数越大，水平方向扩散越小，流动越均匀；壁面摩擦系数对水平方向扩散影响不大；壁面摩擦系数越大，流动越不均匀。     

三维随机填充球床通道内流场数值分析

对三维随机堆积球床通道内单相水流动进行数值模拟,分析了通道内沿流动方向不同位置截面径向速度分布,以及不同流动状态对截面速度分布的影响。其中球体随机堆积几何模型采用离散单元方法构建,并通过搭桥法对球体间及球体与管壁间的接触问题进行处理。研究结果表明:使用搭桥法后对孔隙率影响可忽略不计;球床通道截面速度与孔隙率具有相似的径向分布规律;在同一流动状态下,从管壁沿径向方向,不同截面的速度分布一致性逐渐减弱;随Rep的增加,同一截面速度分布趋于均匀。     

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。     

低流速工况下熔盐冷却球床流动传热的数值模拟

球床式熔盐反应堆采用熔盐冷却球床式堆芯。低流速条件下燃料球床内的熔盐流动传热特性对反应堆的设计、运行及安全分析具有重要意义。本文利用计算流体力学(CFD)方法模拟了低流速工况下的规则排布球床内熔盐的流动传热特性。计算发现,在相邻A层(或B层)之间存在流动滞止区,该区域内流体温度与燃料球表面温度均高于贯穿球床上下的低阻力区域。最后,本文基于CFD计算结果评估并修正了用于球床的Wakao传热关系式。     

球床规模对孔隙流动特性影响的CFD模拟研究

对不同规模的有序堆积球床结构进行建模,并使用计算流体力学(CFD)方法对球床孔隙通道内的单相流动进行数值模拟。球床结构的孔隙区域采用混合网格划分策略,球床的计算规模达到11层,共141个颗粒,能够较真实地反映较大规模球床内部的孔隙流动特性。同时考察了球床的规模大小对其孔隙流动以及床层流动压降的影响规律,获得不同径向规模体心堆积球床的阻力关系式。针对截面积较小的方形通道分析了边壁效应对孔隙流动的影响机理,并通过孔隙流道的沿程压降评估了球床入口/出口效应对床层阻力的影响范围。