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。     

搅混翼定位格架排布方式对5×5棒束通道热工水力特性影响的CFD研究

为探究棒束通道定位格架的最优排布方式，本文采用计算流体动力学（CFD）方法对包含3个格架部件的5×5棒束通道进行流场和温度场的数值仿真，研究格架轴向间距以及格架相对转角对通道阻力和传热特性的影响，并从对流传热的角度分析造成不同结果的原因。研究表明，在本文设计的计算工况下，改变格架轴向间距对棒束阻力和传热特性的影响较小；将中间格架在横截面内相对两端格架旋转90°放置能够有效降低横截面温度分布的不均匀性，减小横截面最高温度。     

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。     

棒束通道内定位格架搅混特性PIV可视化研究

定位格架作为燃料组件中重要的组成部件之一，不仅在结构上固定燃料棒，而且在燃料组件内热工水力性能同样显著，特别是对工质的搅混性能直接关系到反应堆的经济性和安全性，因此有必要对燃料组件内定位格架搅混特性进行研究。本文通过粒子图像测速（PIV）技术开展了棒束通道内定位格架上下游流场的可视化研究，对比了有无格架棒束通道内流场的分布特征，定量分析了定位格架对棒束通道流场搅混的贡献。对不同流速下定位格架下游横纵速度的沿程变化特性进行研究，发现了不同流速作用下定位格架对横向、轴向速度的促进和抑制规律。另外，通过速度均方根对下游的湍流特性进行了评估。实验结果可为数值计算提供全场的数据验证，并可为定位格架设计和优化提供基础。     

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。     

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。      

7棒束紧密栅元流体流动传热数值研究

紧密栅元内的流体流动传热研究对高转化比反应堆燃料组件的优化有十分重要的意义。本文采用CFD方法对7棒束紧密栅元棒束通道内流体流动传热现象进行了数值模拟,并与7棒束紧密栅元内氟利昂流体传热的实验结果进行对比分析,详细分析了定位格架对棒束内流体传热流动的影响。结果表明：数值计算所得的非加热棒的壁面温度和实验吻合良好,定位格架的存在对其下游流体流动、棒束最高温度分布及交混系数有明显的影响,棒束某些位置因流动滞止导致温度大幅上升,在设计中应加以注意。     

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。     

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。      

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。     

棒束及格架布置对燃料组件搅混特性影响的实验研究

以CPR1000核电机组使用的格架组装的5×5棒束燃料组件为对象,开展了多组全长棒束燃料组件搅混特性实验,重点分析了冷-热棒布置形式、格架布置形式等几何参数对燃料组件搅混特性的影响规律,实验结果表明,冷-热棒中心对称布置时的燃料组件热扩散系数更接近真值;跨间搅混格架对燃料组件总体热扩散系数有较小增强作用,但对于棒束压降的贡献很低。      

燃料组件精细化定位格架模型开发及评价

为提高燃料组件子通道内两相局部参数预测的准确性，本文基于分布式阻力方法建立精细化定位格架模型，选用合适的摩擦阻力表达式，对格架上的交混翼进行精细化建模，采用Carlucci湍流交混模型计算湍流交混速率，引入阻塞因子计算由定位格架引起的湍流交混效应，并将建立的精细化定位格架模型植入子通道分析程序（ATHAS），对压水堆子通道和棒束实验（PSBT）基准题进行计算分析。结果表明，本文开发的精细化定位格架模型能够提高燃料组件子通道内空泡份额和温度分布的预测准确性，为棒束通道流场、焓场计算和临界热流密度（CHF）预测奠定了基础。      

5×5全长非均匀加热棒束临界热流密度试验研究

主要描述了5×5全长非均匀加热棒束临界热流密度试验的试验系统、试验内容、试验参数范围、试验过程、试验数据处理及数据分析结果。通过本项试验研究,掌握了全长非均匀加热棒束临界热流密度试验的试验技术;通过不具有跨间搅混格架的A型与具有跨间搅混格架的B型燃料组件临界热流密度的对比试验,发现跨间搅混格架对提高燃料组件临界热流密度具有重要作用,在一定参数范围内,B型比A型燃料组件临界热流密度提高7.49%。     

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。      

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。      

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。     

300MW燃料组件定位格架导向翼三维流场分析

从三维流场分析角度验证了300MW燃料组件定位格架导向翼初步设计改进方案的合理性,采用流体计算软件对燃料组件定位格架或棒束定位格架进行计算,比较导向翼修改前后的定位格架水力特性和导向翼周围流场的变化,为实际工程应用提供了依据。     

全长尺寸5×5格架棒束通道两相流动特性研究

采用两相计算流体动力学(CFD)分析的方法,对全长尺寸格架棒束通道内过冷沸腾两相流动进行了数值模拟。将模拟得到的棒束通道中心4个子通道的平均空泡份额与实验值进行对比发现,在高空泡份额区域与实验值符合较好;在低空泡份额区域,计算值略高于实验值。两相CFD方法模拟得到了棒束通道内空泡份额的详细分布,观察到格架上游空泡份额集中在加热棒的周围,但在格架下游,子通道中心的空泡份额增加,加热棒周围的空泡份额减小,间接地证明了格架对临界热流密度(CHF)的提升作用。     

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。     

带7道格架的5×5棒束两相性能CFD分析

采用两相计算流体动力学（CFD）方法进行带7道格架的5×5棒束两相性能研究，其中结构搅混格架（MG）和跨间搅混格架（MSMG）交替布置，计算考虑汽泡合并与破裂、热量传递，但不考虑相间的质量传递。为选择合理的两相模型参数，首先以带2道格架（MG、MSMG）的AFA3G燃料组件5×5棒束架为研究对象，对最大气泡直径、汽泡合并破裂系数、非曳力模型及曳力模型、入口气泡直径、入口空泡份额分布等进行了敏感性及不确定性分析。此后采用该两相模型设置，针对带7道格架的AFA3G燃料组件进行了两相性能研究，计算结果显示格架间的各项参数不存在完全一致的周期性，但同种格架上游的空泡份额分布具有一定的相似性，因此用于两相性能评价可计算带2~3道格架的棒束，该研究可用于带格架棒束两相计算的模型设置与几何规模选择，为下一步采用两相CFD计算建立燃料组件热工水力性能评价准则奠定了基础。最后比较了AFA3G燃料组件及改进型燃料组件两种格架的空泡分布特性，并从提高燃料组件临界热流密度（CHF）特性的角度对其进行评价，获得与实验一致的结论，证明了评价方法的正确性。