CHF关系式开发与DNBR限值确定方法研究

对反应堆内临界热流密度(CHF)关系式开发中的关键问题(如冷壁效应、非均匀加热因子、数据统计处理等)进行研究,并以公开发表的CHF试验数据为基础,完成自主化CHF关系式初步拟合和关系式限值确定。在对计算结果进行详细统计分析的基础上,建立了一套严密的统计处理方法以确定CHF关系式DNBR限值。     

基于逐步回归无量纲棒束CHF关系式开发与DNBR限值确定

针对目前国内外先进压水堆棒束临界热流密度（CHF）经验关系式普遍存在数学形式复杂、自变量系数众多且缺乏物理意义的共性问题,以美国电力研究院（EPRI）棒束CHF数据库中遴选的485个5×5压水堆棒束CHF数据点为基础,基于逐步回归分析开发了一套新型无量纲棒束CHF关系式。考虑了导向管冷壁效应与轴向非均匀加热效应后,实测CHF与预测CHF之比M/P的平均值为0.998,均方根偏差为0.0546,标准差为0.0546,基于分组法确定了关系式的95/95偏离泡核沸腾比（DNBR）限值为1.16。     

压水堆堆芯临界热流密度的预测方法综述

针对压水堆堆芯临界热流密度(CHF)预测这一重要科学问题,分析了棒束中存在的格架效应、冷壁效应和非均匀加热效应对CHF的影响,对比了基于不同假设的6类CHF机理模型,给出了棒束CHF关系式的开发途径,并得出了CHF机理模型和经验关系式在棒束CHF预测上的优缺点。建议进一步充实已有的CHF实验数据库,优化CHF关系式的开发方法,并积极开发棒束CHF机理模型。     

单棒垂直方形通道临界热流密度实验研究

采用R134a作为流体工质,对单棒垂直方形通道临界热流密度（CHF）进行了实验研究。流道横截面为19 mm×19 mm的方形通道,内置外径为9.5 mm的单根加热棒,用来模拟压水堆中典型栅元通道。实验工况通过流体模化方法覆盖了压水堆典型运行工况。实验结果表明,R134a在方形通道内的CHF参数趋势与圆管中水的CHF参数趋势相同,R134a可以替代水作为模化工质;通过对圆管Bowring关系式和Katto & Ohno关系式进行冷壁因子修正,可用于预测带有冷壁的方形通道的CHF;Katto的流体模化方法适用于带有冷壁的方形通道。      

基于两相CFD的非均匀加热圆管CHF预测方法研究

为建立非均匀加热工况临界热流密度（CHF）预测方法，以对换热系统的安全分析提供新的辅助手段，本研究采用欧拉两流体模型和壁面沸腾模型，对非均匀加热圆管的CHF进行预测。通过数值计算得到不同热流密度下近壁面空泡份额和壁面温度的分布，将壁面温度出现二次峰值和此时近壁面空泡份额的峰值位置分别作为CHF发生的依据和CHF发生的点，并用此方法对2种不同功率分布圆管的CHF进行研究。研究结果表明，预测得到临界时的平均热流密度及临界发生的位置都与实验结果符合较好。因此，本研究建立的数值预测方法能够用于非均匀加热圆管CHF的预测。      

矩形通道轴向非均匀加热条件下的CHF研究

针对已有的计算均匀加热条件下的临界热流密度(CHF)的关系式,如Sudo93、Sudo96、Knoebel公式以及W3公式,加以非均匀条件的考虑,推广到矩形通道工况下,并用计算非均匀加热条件的沸腾长度法和F因子法对其进行修正。针对中国先进研究堆(CARR)的实际运行工况,运用修正后的计算结果与CARR的实验值进行比较。结果表明,通过F因子修正后的Sudo系列公式计算结果与实验值符合良好,从而能够较好地预测CARR的CHF现象。     

竖直窄缝通道内轴向功率阶跃分布下临界热流密度理论分析

采用竖直窄缝通道内功率阶跃分布下的临界试验结果对非均匀加热临界预测模型进行验证。模型所预测临界触发位置、临界热流密度(CHF)及临界对应平均热流密度与试验结果的偏差均在合理范围内。采用该非均匀加热临界预测模型开展功率阶跃下CHF的数值计算,分析阶跃功率比、阶跃长度以及阶跃位置对沸腾临界的影响:随阶跃功率比的增大,CHF基本呈线性增大,但临界触发时的平均热流密度逐渐降低;阶跃长度的增大使得CHF逐渐减小,同时触发时的平均热流密度逐渐逼近均匀加热下的CHF值;随临界触发区域向流道上游迁移,临界触发位置将脱离功率阶跃区域的后端迁移至流道出口,此时的CHF值及临界触发时的平均热流密度值均趋近于均匀加热下的CHF值。     

矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度实验研究

对矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度进行了研究.轴向加热方式为光滑的截尾余弦型,流动工质为去离子水.实验结果证明轴向非均匀加热临界热流密度低于轴向均匀加热临界热流密度.实验数据分析采用"F修正因子法",得到了轴向非均匀修正因子的半经验关系式.将该修正因子关系式同国际上已有的各种修正因子进行了比较分析,证明本文得到的修正因子预测的矩形窄缝通道轴向非均匀加热临界热流密度值更准确.     

压水堆堆芯pin-by-pin计算环境效应处理模型研究

栅格非均匀计算过程中采用的全反射边界条件近似带来的中子射流效应和中子能谱干涉效应等环境效应对栅元均匀化常数具有较大影响。为在全堆芯pin-by-pin计算中处理环境效应带来的影响,本文从两个方面进行了计算分析。首先,基于棋盘式多组件问题对栅元均匀化群常数相对误差及各能群栅元不连续因子相对重要性进行了分析,可发现在等效均匀化常数中,热群不连续因子对全堆芯pin-by-pin计算精度的影响最重要;其次,基于最小二乘法建立了热群栅元不连续因子和堆芯中子学特征量之间的多项式函数关系,利用参数化技术提出了热群常数堆芯在线计算方法,其中堆芯中子学特征量包括扩散系数、移出截面、中子源项、归一化中子通量密度等。采用C5G7基准题和KAIST基准题进行了数值验证,计算结果表明,热群常数堆芯在线计算方法能有效降低全堆芯pin-by-pin计算特征值和棒功率相对误差,对处于不同燃料组件交界面附近的栅元,计算精度提升尤为显著。     

压水堆堆芯pin-by-pin计算环境效应处理模型研究

栅格非均匀计算过程中采用的全反射边界条件近似带来的中子射流效应和中子能谱干涉效应等环境效应对栅元均匀化常数具有较大影响。为在全堆芯pin by pin计算中处理环境效应带来的影响,本文从两个方面进行了计算分析。首先,基于棋盘式多组件问题对栅元均匀化群常数相对误差及各能群栅元不连续因子相对重要性进行了分析,可发现在等效均匀化常数中,热群不连续因子对全堆芯pin by pin计算精度的影响最重要;其次,基于最小二乘法建立了热群栅元不连续因子和堆芯中子学特征量之间的多项式函数关系,利用参数化技术提出了热群常数堆芯在线计算方法,其中堆芯中子学特征量包括扩散系数、移出截面、中子源项、归一化中子通量密度等。采用C5G7基准题和KAIST基准题进行了数值验证,计算结果表明,热群常数堆芯在线计算方法能有效降低全堆芯pin by pin计算特征值和棒功率相对误差,对处于不同燃料组件交界面附近的栅元,计算精度提升尤为显著。     

带定位格架棒束通道内两相流型研究

在空气-水两相流动工况下,将RBI光学探针测得的时序波形和目测相结合,对AFA-2G 33定位格架组成的棒束通道内存在的两相流型进行了识别。通道水力当量直径为8.98mm,元件的棒径为9.5mm,栅距为12.6mm,棒壁距为2.65mm。液相和气相表观速度范围分别为0.40-2.69m/s,0.02-2.99m/s。试验获得了流型图。结果表明,定位格架结构,特别是交混叶片对定位格架附近区域两相流型变化有重要影响,在棒束通道内的同一截面上存在不同种类流型。     

Experimental study on the effect of angles and positions of mixing vanes on CHF in a 2 × 2 rod bundle with working fluid R-134a

In this paper, the CHF experiment on the effect of angles and position of mixing vanes was performed in a 2 × 2 rod bundle. The test section had rectangular geometry in which four rod, each with a diameter of 9.5 mm, were inserted. The rod-to-rod gap was 3.15 mm, and the rod-to-wall gap was 1.575 mm. It was vertically installed in the test loop and was uniformly heated by electricity. The heating length was 1.125 m. The working fluid was R-134a. The mass flux ranged from 1000 to 1800 kg/m². The test pressure ranged from 14.67 to 25.67 bar. CHF data in the 2 × 2 rod bundle without a mixing vane were compared to the Bowring correlation and a CHF look-up table at equivalent hydraulic diameter. For this comparison, Katto's fluid-to-fluid model is applied. The results had a good agreement with error rates of 16 and 20%. In the CHF experiment with the mixing vanes with various angles, the angles of the mixing vanes were 20–40°. The CHF enhancement ratio (CER) was largest at 30°. CHF was enhanced up to 19%. A CHF experiment on the position of the mixing vane was also performed. In the experiment on the position of mixing vane, CER was reduced with increasing distance between grid and CHF location because swirl flow decayed. We also performed the CHF experiment on mixing vane developed by KAIST.     

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。     

Rod Bowed to Contact Departure from Nucleate Tests in Coldwall Thimble Cell Geometry

Departure from nucleate boiling (DNB) tests were conducted to measure the effect of a rod bowed to contact in a coldwall thimble cell of a pressurized water reactor. The tests were conducted using electrically heated 4×4 rod bundles with 4,270mm heated length and with axially and radially non-uniform heat flux, locating mixing vane grids on a 660 mm spacing. One of central heater rods was bowed into contact at the topmost grid span where most of DNB were observed in the unbowed geometry test. The tests were resulted in no effect of a rod bowed to contact at low pressure (105 and 127 ata) but considerable effect at high pressure (148 and 169 ata). The reduction of DNB heat flux was given by a function of rod average heat flux and pressure.     

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。      

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。      

Single-phase CFD applicability for estimating fluid hot-spot locations in a 5 × 5 fuel rod bundle

High-thermal performance PWR spacer grids require both of low pressure loss and high critical heat flux (CHF) properties. Therefore, a numerical study using computational fluid dynamics (CFD) was carried out to estimate pressure loss in strap and mixing vane structures. Moreover, a CFD simulation under single-phase flow condition was conducted for one specific condition in a water departure from nucleate boiling (DNB) test to examine the applicability of the CFD model for predicting the CHF rod position. Energy flux around the rod surface in a water DNB test is the sum of the intrinsic energy flux from a rod and the extrinsic energy flux from other rods, and increments of the enthalpy and decrements of flow velocity near the rod surface are assumed to affect CHF performance. CFD makes it possible to model the complicated flow field consisting of a spacer grid and a rod bundle and evaluate the local velocity and enthalpy distribution around the rod surface, which are assumed to determine the initial conditions for the two-phase structure. The results of this study indicate that single-phase CFD can play a significant role in designing PWR spacer grids for improved CHF performance.     

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。      

环形燃料棒束再淹没行为实验研究

环形燃料是一种可在维持或提升安全裕度的前提下大幅提高反应堆经济效益的新型压水堆燃料,由于其双面冷却的特点,环形燃料在LOCA再淹没阶段的热工水力行为与传统实心燃料存在显著差异。现有关于环形燃料再淹没行为的实验研究鲜有报道。本研究基于自主设计的高温环形电加热棒建立了环形棒束再淹没实验装置,开展了3×3环形棒束底部再淹没实验研究,探究了环形棒束再淹没典型物理过程及不同工况下再淹没关键参数的变化规律。结果表明,环形棒束再淹没物理过程与传统实心棒束类似,且内外通道的骤冷前沿推进和传热模式变化趋于同步。在同一时刻下,环形棒内外壁面间存在温度梯度。骤冷前沿推进速度随再淹没速度和过冷度的增大而增大,随峰值包壳温度和线功率密度的增大而减小。此外,定位格架在低流速、低过冷度与高壁温工况下能显著提升下游的骤冷前沿推进速度。