数值堆热工流体程序CVR-PACA验证及典型应用

谱元方法是一种高精度的数值计算方法,采用该方法开发了数值堆高精度热工水力并行CFD计算程序CVR-PACA。应用CVR-PACA对单棒光棒通道湍流流场、3×3光棒棒束湍流流场、Matis-H压水堆棒束通道基准题、19棒带绕丝组件通道湍流流场进行了仿真计算。通过与实验测量值对比,研究定量验证了大涡模拟(LES)模型及非稳态雷诺时均(URANS)模型对各类棒束通道流场预测的准确性。算例在建模过程中采用网格分裂技术实现了复杂几何的纯六面体网格划分,用于支撑谱元方法计算。研究较为全面地积累了高精度谱元方法模拟流场流动及换热的建模经验,获取了各类棒束通道内丰富的流动和换热细节,获得的建模经验能更加精准有力地指导相关设计的优化改进。     

控制棒组件缓冲结构缓冲设计方法研究

控制棒组件缓冲结构是控制棒的关键部件,本文针对一种既定结构的控制棒组件缓冲结构,对控制棒组件落棒缓冲效果开展了数值仿真计算分析。通过理论分析建立了一定的简化模型和控制方程进行数值仿真分析计算,获得了控制棒组件落棒冲击力的规律。本文的计算方法及结果可以指导控制棒组件缓冲结构的设计。     

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。      

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。      

CFR600核设计中控制棒价值非均匀效应的群常数修正方法研究

CFR600堆芯反应性控制和停堆仅使用控制棒，其价值计算的准确性对核设计至关重要。CFR600核设计计算中，组件使用直接体积均匀化，不考虑非均匀效应。但控制棒非均匀效应较强，需进行修正。本文研究控制棒非均匀效应的群常数修正方法，推导通量权重和反应性等效方法的理论计算公式；结合细网差分程序，开发完成群常数修正计算程序CREC；对CFR600安全棒和补偿棒的12群群常数进行修正计算研究，并验证了控制棒价值非均匀修正的计算结果。通量权重和反应性等效方法的计算结果与参考值吻合较好，此两种方法均可对控制棒价值非均匀效应进行有效修正。     

数值拟合方法评价燃料芯块制造参数对燃料棒性能的影响

从理论计算模型出发,分析出与燃料棒性能相关的芯块制造参数,并采用自主研发的FUPAC燃料棒性能分析软件,逐一针对这些参数进行敏感性分析,筛选影响燃料棒性能的关键参数。基于大量敏感性分析计算数据,采用数值拟合的方法获得了关键参数与燃料棒性能间的变化关系函数,实现了对芯块制造参数所致燃料棒性能影响的快速、准确评价。对数值拟合方法与专业软件分析的结果进行对比验证,结果表明:数值拟合方法可以高效地分析燃料芯块制造参数对燃料棒性能的影响。      

Pressure drop for parallel flow through a roughened rod cluster

A method is described of calculating the pressure drop for parallel flow through rod clusters with artificial surface roughnesses in order to improve the heat removal. The method allows the extensive experimental data on artificial roughness to be applied to rod clusters. The method is based on universal flow parameters for roughness and on general laws describing the pressure drop in non-circular channels with rough walls. The method is tested on the basis of measured results obtained from a rod cluster with 19 rough rods. The parameters determined are in excellent agreement with data measured in rough tubes and annular gaps. In this way it is possible, given the geometrical shape of the roughness elements, to calculate pressure drops and flow distributions in artificially roughened rod clusters contained in a smooth channel. The simplistic approach using an average friction factor and an overall hydraulic diameter results in rather unrealistic flow distributions and hence temperature distributions across the cluster.     

基于不确定性与敏感性分析的FA300燃料棒燃耗限值研究

燃耗限值对于燃料棒的安全使用和设计改进均有重要意义,而FA300燃料棒的燃耗限值尚未有系统研究。不确定性与敏感性分析方法是燃耗限值研究的基础,工程上常用的极值分析法、蒙特卡罗法等均难以全面反映燃料棒性能分析中的不确定性与敏感性。本工作采用基于人工神经网络的响应面方法,对相应数学模型进行显式重构,在响应面上进行抽样统计获得不确定性信息;而对于特定形式的人工神经网络,通过简单的代数运算获得敏感性信息。基于这一方法的研究表明,FA300燃料棒的极限准则为包壳腐蚀及包壳应变。结合秦山一期加深燃耗组件随堆考验的检测结果,以及国际上相关使用经验,从燃料性能分析的角度给出FA300燃料棒的燃耗限值为55 000 MW•d/tU。     

自然循环棒束形通道流动不稳定性起始点研究

针对自然循环条件下3×3棒束形通道内流动不稳定性起始点（OFI）进行了实验和RELAP5数值模拟研究。通过对实验数据进行处理，得出了计算自然循环条件下棒束形通道内OFI对应的热流密度的经验关系式，计算的最大相对误差为20.10%。运用驱动力方法分析了OFI的产生原因，计算结果表明：棒束形通道加热段出口处因过冷沸腾产生气泡，使得自然循环冷热段密度差大幅增大，进而使总驱动力增大，最终促使了OFI的产生。RELAP5对于低压自然循环OFI计算适用性好，其对OFI的计算结果较实验结果更不保守。     

棒束间复杂流动传热模拟计算

采用多孔体模型对流体在棒束间的复杂流动传热进行了模拟计算，并将模拟计算结果与实验数据进行了比较。对该问题的研究结果可应用于快堆安全分析以及工业换热设备内流场和温场的模拟计算。     

Calculated heat transfer development in bundles

In many cases heat transfer in rod bundles can be considered as a superposition of several simple heat transports. A number of practical problems can thus be solved if solutions for these elementary transport are available. Two elementary heat transports in rod bundle geometry are investigated, namely the transport from a fuel rod surface into the adjacent subchannel and the transport from one subchannel into the next one. The first transport is characterized in terms of the Nusselt or Stanton numbers, while the latter in terms of the Stanton gap number or mixing factor. Hydraulically developed flow is assumed, with no feedback of heat transport on the flow condition. A three-dimensional numerical calculation by means of the finite difference method is applied to determine the eigenvalue solution of the response on a step change in heating for both cases. The method is tested on an internally heated concentrical annulus. The result is compared with available experimental and theoretical predictions. It is found that the heat transfer between subchannels is developed considerably slower in comparison with the development of the heat transport from fuel rod to subchannel.     

Local thermal–hydraulic behaviour in tight 7-rod bundles

Advanced water-cooled reactor concepts with tight lattices have been proposed worldwide to improve the fuel utilization and the economic competitiveness. In the present work, experimental investigations were performed on thermal–hydraulic behaviour in tight hexagonal 7-rod bundles under both single-phase and two-phase conditions. Freon-12 was used as working fluid due to its convenient operating parameters. Tests were carried out under both single-phase and two-phase flow conditions. Rod surface temperatures are measured at a fixed axial elevation and in various circumferential positions. Test data with different radial power distributions are analyzed. Measured surface temperatures of unheated rods are used for the assessment of and comparison with numerical codes.In addition, numerical simulation using sub-channel analysis code MATRA and the computational fluid dynamics (CFD) code ANSYS-10 is carried out to understand the experimental data and to assess the validity of these codes in the prediction of flow and heat transfer behaviour in tight rod bundle geometries. Numerical results are compared with experimental data. A good agreement between the measured temperatures on the unheated rod surface and the CFD calculation is obtained. Both sub-channel analysis and CFD calculation indicates that the turbulent mixing in the tight rod bundle is significantly stronger than that computed with a well established correlation.     

Longitudinal laminar flow in asymmetrical finite bundles of rods

Theoretical analysis is presented on the asymmetrical effects, i.e. peripheral displacement of rods or unequal rod diameters, on longitudinal laminar flow in a finite bundle of rods. Solution is by the method of superposition. Numerical results are obtained for shear stress and velocity distributions when only one rod is displaced in a seven rod cluster of equal-diameter rods.     

超级均匀化方法用于球床氟盐冷却高温堆扩散计算

球床氟盐冷却高温堆的控制棒位于侧反应射层内,存在无裂变中子源且受堆芯泄漏谱强烈影响的强吸收体区域扩散计算难题。超级均匀化方法(Super Homogenization,SPH)被用于对氟盐球冷却床堆侧反射层中控制棒区域的强吸收体进行等效均匀化处理,同时堆芯除控制棒区域外采用谱修正方法(Spectra Modification,SM),将输运计算的结果作为基准进行验算。结果表明,SM-SPH模型能有效地计算球床氟盐冷却高温堆反射层控制棒价值及通量分布,并且较常规的SPH方法能更好地处理棒间干涉效应。     

西安脉冲堆反应性测量空间效应修正方法研究

反应性是反应堆重要的物理参数，在西安脉冲堆上增加反应性实时监测功能，能够为操纵员提供反应性实时大小和变化趋势，有利于其安全运行。逆动态方法以其实时性好、能测量任意反应性引入而被广泛应用于反应性测量，但由于控制棒的移动会导致中子注量率空间分布前后不一致，而出现偏差。本文对逆动态方法和静态空间效应因子进行了理论分析，给出了相应的计算方法；以西安脉冲堆为研究对象，使用蒙特卡罗（MCNP）程序计算了探测器三维空间的响应函数，同时计算了归一化节块功率密度，由此得到静态空间效应因子；最后在脉冲堆上进行了不同棒速下插控制棒实验，处理实验数据得到控制棒积分价值曲线。结果表明，进行空间效应修正是必要的，经修正后计算得到的控制棒价值曲线更稳定，计算结果与真实值误差更小。      

双螺旋结构电容式棒位测量传感器偏心性能研究

控制棒棒位测量传感器是低温核供热堆控制棒步进和落棒测量的关键设备,其精度和可靠性直接关系到反应堆的安全性。对于双螺旋结构电容式棒位测量传感器,完成了传感器静态特性实验,利用有限元分析方法建立了传感器的计算模型,模型计算结果与实验结果符合良好。在此基础上,采用有限元模型结合正交试验方法分析了极板张角、极板螺距、陶瓷管壁厚度等设计参数对传感器偏心性能的影响,获得了传感器设计参数的优化组合。研究结果表明,减小极板张角、增大极板螺距、增大陶瓷管壁厚度、减小陶瓷管相对介电常数有助于减小传感器偏心误差,由正交试验方法获得的参数组合能实现棒位测量不失步的要求。研究成果为双螺旋结构电容式棒位测量传感器的设计和优化奠定了基础。     

棒束定位格架两相CFD模拟方法研究

考虑气泡合并分裂,采用MUSIG模型,对3×3格架内空气-水两相分布进行计算流体力学(CFD)数值模拟研究发现,计算对入口两相分布预计不敏感,但对气泡直径大小敏感;在定位格架下游不远处,空泡份额分布由较小直径气泡起主导作用,格架下游较远处,空泡份额分布由较大直径气泡起主导作用。考虑空气-水两相流量、几何条件和压力对气泡直径的影响,本文提出针对棒束定位格架的数值模拟气泡最大直径设置关系式,并对模型选取和模拟方法给出建议。计算表明空泡份额分布曲线形状与峰值均和实验符合较好,该模拟方法能合理预测复杂通道两相数值分布。     

快堆燃料组件少棒替代方法研究

快堆堆芯流量分配实验需大量燃料组件，为缩短燃料组件的加工周期，需寻找一种可简化燃料组件结构的思路。本文采用CTS理论算法，计算了燃料组件结构参数变化对组件水力特性的影响，提出了采用较少燃料棒替代组件完成试验的思路。该方法不改变组件外部结构与试验环境，仅用少量燃料棒获得与多棒燃料组件相同的水力特性。计算结果表明，替代组件与原组件水力曲线吻合较好，可达到替代效果。     

快堆控制棒组件非均匀效应修正方法研究

控制棒组件是快堆控制系统和安全保护系统的重要组成部分,快堆控制棒价值的准确求解至关重要。基于PASC?5程序的快堆少群均匀化群常数计算中使用直接体积均匀化方式,这会导致控制棒价值严重高估,必须对控制棒组件的非均匀效应进行修正。基于群常数修正的思路,本论研究了体积?通量权重、反应率之比守恒和反应性守恒3种方法在快堆控制棒组件非均匀效应修正中的应用;基于二维特征线程序开发了群常数修正因子计算程序FRHP。通过中国实验快堆算例进行测试验证,修正后的控制棒价值计算结果与MCNP计算的参考结果符合较好,表明3种方法均能对控制棒组件的非均匀效应实现有效修正,其中反应性守恒方法修正效果最好。     

控制棒落棒动力学数值计算

The dropping time and profile of control rods are important parameters during the safety evaluation of nuclear power plants. CFD method and dynamic mesh were used to study the dropping profile of the control rod and flow evolution. The changes of displacement, velocity and acceleration versus time during the dropping of the control rod are obtained. Meanwhile, the effect of the deformation of the control rod and channel on the control rod dropping is evaluated. The results of the work are of help to the design and optimization of the structure of control rods.