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。      

反应堆棒束通道搅混翼数值研究

定位格架上的搅混翼是核反应堆燃料组件中的关键部件，其性能对棒束通道热工水力特性有重要的影响。以带单层定位格架的5×5棒束为研究对象，对搅混翼排布方式及末端形状对格架下游的流场和温度场的影响进行数值模拟研究。计算结果表明，改变搅混翼的排布方式，压降几乎不受影响，但格架下游流场和传热情况却因排布方式的改变而发生显著变化；将搅混翼末端形状改为弧形，压降较典型撕裂型搅混翼没有明显差异，但换热情况得到明显改善。      

脉动流下定位格架下游时均流场分布特性研究

研究流量波动下棒束通道内定位格架下游瞬时流场演变特性对于揭示海洋条件下燃料组件内流动换热机理具有重要意义。本文应用粒子图像测速（PIV）技术获得了脉动流下棒束通道内定位格架下游时空演变流场结构,分析了脉动参数（脉动周期和脉动振幅）对定位格架下游速度分布和湍流特性的影响。结果表明,脉动流下定位格架下游时均速度与定常流动下时均速度差异较小,且基本不随脉动振幅和脉动周期变化而变化;脉动流下的定位格架下游横向速度和轴向速度均方根与定常流动下的速度均方根存在明显差异,且随脉动参数变化呈现出不同的变化趋势。本文研究结果有助于揭示燃料组件在非稳态条件下瞬态特性,并为燃料组件的设计和优化奠定基础。      

十字焊点对定位格架水力特性影响的数值研究

作为定位格架重要的结构特征之一,其内条带间的十字焊点的形状与定位格架的强度及水力特性密切相关。为深入研究该十字焊点形状对定位格架水力特性的影响规律,以5×5燃料组件定位格架为研究对象,采用ANSYS CFX12.1对燃料棒束通道内的流动现象进行数值模拟研究,得到了通道内的流场分布。研究结果表明:增加十字焊点直径能削弱格架下游近格架区域子通道内冷却剂的涡流强度以及子通道间的搅混强度,同时增强格架下游远格架区域子通道内的涡流强度以及子通道间搅混强度;增加十字焊点直径对格架下游子通道内的搅混强度影响较小;定位格架的形状阻力系数随十字焊点直径的增大而增加。以上结果说明采用较大直径的十字焊点可使定位格架下游区域的换热能力趋于均衡,从而使堆芯温度分布更加均匀,但同时也会产生较大的压力损失。     

冷却剂与含格架燃料棒束多场耦合分析

燃料棒束作为压水堆燃料组件的组成部分，其热工和结构特性直接关系到反应堆的安全。本文利用ANSYS WORKBENCH软件分析了冷却剂在5×5含定位格架燃料棒束通道内流动的分布，采用冷却剂与燃料棒束多场耦合的方式研究了燃料棒束的流动传热特性和结构形变特性。结果表明：定位格架扰动冷却剂形成横向二次流并在下游棒束间形成绕流；多场耦合条件下二次流峰值速度和平均速度均小于单流场的；二次流与燃料棒的热应力使棒束发生形变，功率和流动分布的不均匀导致形变在轴向和径向的不均匀；相较于无格架情况，定位格架的存在使冷却剂的搅混流动更加明显，冷却剂对燃料棒冲击增大；在有、无定位格架两种情况下棒束形变均很小，可保持原本结构的稳定。     

冷却剂与含格架燃料棒束多场耦合分析

燃料棒束作为压水堆燃料组件的组成部分,其热工和结构特性直接关系到反应堆的安全。本文利用ANSYS WORKBENCH软件分析了冷却剂在5×5含定位格架燃料棒束通道内流动的分布,采用冷却剂与燃料棒束多场耦合的方式研究了燃料棒束的流动传热特性和结构形变特性。结果表明:定位格架扰动冷却剂形成横向二次流并在下游棒束间形成绕流;多场耦合条件下二次流峰值速度和平均速度均小于单流场的;二次流与燃料棒的热应力使棒束发生形变,功率和流动分布的不均匀导致形变在轴向和径向的不均匀;相较于无格架情况,定位格架的存在使冷却剂的搅混流动更加明显,冷却剂对燃料棒冲击增大;在有、无定位格架两种情况下棒束形变均很小,可保持原本结构的稳定。     

2×2棒束通道格架搅混翼横向流场PIV实验研究

以2×2放大棒束通道格架模型为基础,利用粒子图像测速(PIV)对格架搅混翼引起的燃料组件棒束通道内横向流场特性进行实验研究。测量流体经过格架搅混翼后不同位置的横向速度发展情况,比较折弯角分别为20°、25°、30°、35°、40°和45°时横向流场的变化情况,给出雷诺数对横向流场的影响。获得4个典型雷诺数(Re为33000、36000、40000、45000)下的流场特性。结果表明,Re和搅混翼折弯角度的改变,都会显著影响棒束通道内横向流动。     

湍流模型对5×5格架棒束通道流动传热数值模拟影响分析

同一软件工具采用不同湍流模型进行燃料组件格架棒束通道CFD分析时会得到不同的数值结果,本文采用ANSYS CFX软件,建立了包含典型5×5格架的棒束通道CFD模型,研究了涡粘和雷诺应力两大类6种典型湍流模型对燃料组件压降与换热特性数值结果的影响,计算了压降和Nu分布结果与相似的实验结果进行对比,通过分析3个典型搅混效果评价因子,探讨了搅混翼流动与换热的内在影响关系,同时对比了不同湍流模型对结果的影响。通过与相似实验数据对比分析,认为雷诺应力模型较适宜计算本文所研究的定位格架及棒束通道内流动传热特性。     

棒束通道温度场可视化实验研究

基于激光诱导荧光技术，对带定位格架棒束通道的温度场进行了可视化实验研究。采用折射率匹配技术，搭建可视化实验系统，提出适用于棒束通道温度场点对点标定的关系式，利用此关系式对定位格架下游温度场进行了重构。实验结果显示，采用激光诱导荧光技术可获得定位格架下游全场温度分布。分析了不同加热形式、流量和热流密度对温度分布的影响，并采用轴向流体温差和温度分布不均匀性定量评价了定位格架下游的搅混能力。在定位格架下游0～4D_h范围内，搅混性能逐渐增大，在4D_h后会随高度的增加逐渐减小。结果表明，激光诱导荧光技术可适用于棒束通道温度场的非介入式、全场测量，有助于对相应程序的验证和定位格架搅混性能的评价。     

棒束通道内温度场分布特性研究

可视化实验技术越来越多地被应用于核反应堆系统参数的测量，本文基于激光诱导荧光（LIF）技术的特点，介绍该技术的难点和解决方案，并对棒束通道定位格架下游稳态流和脉动流下温度分布进行了研究。结果显示，通过对系统光学特性和染色剂特性研究，可提高LIF技术的应用范围和测量精度。同时采用后处理技术，可获得更准确的温度场分布。通过对棒束通道定位格架下游全场温度进行测量，获得了稳态流和脉动流两种工况下温度的分布。定位格架能显著增强下游的流动搅混，提高换热能力。流速的波动也会对温度分布产生显著影响。研究表明，LIF技术可实现对棒束通道内流体温度分布的全场测量，根据温度分布特性研究可实现对定位格架性能的评价。     

Flow Characteristics in Spacer Grids Measured by Rod-embedded Fiber Laser Doppler Velocimetry

Precise measurement of velocity in fuel bundles is required to improve the thermal-hydraulic properties of Pressurerized Water Reactor (PWR) spacer grids. To better understand the cross-flow characteristics in rod bundles for developing spacer grids, we used the rod-embedded fiber laser Doppler velocimetry (rod LDV) to measure the flow velocities inside the spacer grid flow channels. As the result of measurement, we found that the flow distribution inside the spacer grid depends on the local flow resistance of the grid straps and is clearly affected by the presence of a mixing vane. We also clarified the relationship between cross-flow velocity in the fuel bundle downstream of the spacer grid and the axial flow inside the spacer grid.     

压水堆棒束定位格架两相搅混特性数值研究

本文提出一种CFD方法用于评价压水堆燃料棒束定位格架两相搅混特性。针对两种典型的定位格架,采用CFX12.0进行了空气-水两相流动的数值模拟,并与采用氟里昂工质开展的临界热流密度（CHF）实验进行对比。结果表明,CFD方法可初步应用于评价格架下游汽泡的分布特性。     

CFD methodology and validation for single-phase flow in PWR fuel assemblies

This paper presents the CFD modeling methodology and validation for steady-state, normal operation in a PWR fuel assembly. This work is part of a program that is developing a CFD methodology for modeling and predicting single-phase and two-phase flow conditions downstream of structural grids that have mixing devices. The purpose of the mixing devices (mixing vanes in this case) is to increase turbulence and improve heat transfer characteristics of the fuel assembly. The detailed CFD modeling methodology for single-phase flow conditions in PWR fuel assemblies was developed using the STAR-CD CFD code. This methodology includes the details of the computational mesh, the turbulence model used, and the boundary conditions applied to the model. The methodology was developed by benchmarking CFD results versus small-scale experiments. The experiments use PIV to measure the lateral flow field downstream of the grid, and thermal testing to determine the heat transfer characteristics of the rods downstream of the grid. The CFD results and experimental data presented in the paper provide validation of the single-phase flow modeling methodology. Two-phase flow CFD models are being developed to investigate two-phase conditions in PWR fuel assemblies, and these can be presented at a future CFD Workshop.     

带搅混格架5×5棒束流场的激光多普勒测量

采用激光多普勒测速（LDV）系统，对带有2道搅混格架的5×5棒束格架下游4个横截面的流场进行了轴向流速测量。实验测得了各个截面上的平均轴向速度分布和轴向脉动速度均方根（RMS）分布。通过比较不同截面的平均速度与RMS速度的差异，分析了定位格架下游流场的演变规律；比较了2道格架下游的实验数据，分析了上游流场对格架效应的影响。本文实验数据是在充分重复性实验的基础上获得的，可以为计算流体动力学（CFD）结果的验证和评价提供基准参考。      

钠冷快堆燃料组件热工水力特性数值模拟与分析

利用CFD程序CFX,分别对7、19、37、61根棒组成的三角形排列螺旋绕丝定位的钠冷快堆燃料组件棒束通道进行了热工水力特性的分析研究,并将结果与子通道程序SuperEnergy进行了对比验证。重点考察了棒束通道轴向流动分布、横向流交混效应及子通道轴向温升,分析了定位绕丝的影响。结果表明,绕丝对棒束通道的横向流交混效应、轴向流动分布及子通道温升有着重要影响,且随棒束的增多,通道内的流动趋向复杂化,轴向流动不均匀性有升高趋势。     

激光诱导荧光技术对棒束通道内定位格架搅浑特性研究

基于激光诱导荧光（LIF）技术开展了5×5棒束通道内定位格架搅浑特性的可视化研究。常温常压下，通过示踪染色剂（RhB）浓度分布表征流体微团的搅浑行为，清晰展现染色剂溶液在定位格架作用下的搅浑扩散过程，获取格架下游流场的搅浑信息。采用自验证方法分析验证LIF技术测量的准确性，重构棒束通道内径向与轴向染色剂浓度分布，对比带定位格架与不带定位格架的实验结果，得到定位格架对其下游流场的影响范围及不同棒束子通道所受搅浑程度的差异，并以变异系数量化格架对流场搅浑性能的强弱。实验结果表明：定位格架能快速搅浑流动工质，其搅浑翼片分布形式的差异是造成不同子通道交叉搅浑强弱及各向异性的主要原因。本实验工况（Re＝10 478）下，格架对其下游流场的作用范围约为8倍当量直径(D_h)，流动工质在格架下游5D_h附近所受搅浑最为剧烈。     

定位格架典型部件对5×5棒束通道内流场影响的数值研究

采用数值方法对5×5定位格架棒束通道内三维流场进行了研究，以了解定位格架各典型部件对流场的不同影响。采用混合网格技术、SSTk-ω湍流模型，改进的速度-压力耦合算法SIMPLEC及并行算法技术求解雷诺时均的连续性方程、动量方程，得到通道内各截面的速度场和压力场，并分析了格架各典型部件对流场的影响。结果表明：搅混叶片是产生横向速度的主要原因；弹簧和刚突对轴向速度和阻力系数有较大影响，其中，弹簧的影响更大；搅混叶片对轴向速度有掺合平均的作用。