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。     

沸腾传热数值模拟方法及多管耦合应用特性研究

针对直流蒸汽发生器（OTSG）中全流型沸腾传热及一、二次侧耦合换热等复杂物理现象,计算流体动力学（CFD）数值分析普遍面临计算难度大、计算效率低及不确定性大等问题。基于欧拉两流体多相流模型与临界热流密度（CHF）壁面沸腾模型,建立了管内全流型流动沸腾传热数值分析模型,并验证了模型的有效性。基于所验证的模型,开展了数值模型在多管耦合传热下的应用特性研究,明确了该数值模拟方法在多管耦合下的可靠性,并对温度与相分布计算结果对相间作用力模型的敏感性进行了数值分析。研究结果表明：基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型,能够较准确地预测管内水介质由过冷到过热的全流型流动沸腾传热过程,计算的“干涸”点位置及壁面峰值温度与实验值符合较好,最大误差小于10%;基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型的数值方法对多管耦合工况有较好的适用性,计算的二次侧温度与实验结果吻合良好;两相间曳力对壁面温度及空泡份额的计算结果有较明显的影响,但非曳力对壁面温度的影响较小,因此对于大规模工程应用计算,可在分析中不考虑部分相间非曳力的影响。本文研究结果可为OSTG的三维精细化数值分析的模型选择提供有益参考。     

基于OpenFOAM的过冷流动沸腾数值模拟

过冷流动沸腾现象被广泛应用于工业生产和动力系统中，对该现象的准确预测是两相流CFD模拟的重要研究方向。本文详细阐述了该模拟过程中的欧拉两流体模型及相关辅助模型，基于开源CFD平台OpenFOAM，模拟了4.5 MPa下竖直圆管内的过冷流动沸腾，得到了截面空泡份额、液相平均温度及壁面温度沿轴向的分布。计算结果与实验值符合良好，说明了模型的有效性和程序的正确性。本文可为在OpenFOAM中添加新的模型及开发新的求解器以模拟过冷流动沸腾问题提供参考。     

两流体方法相间界面力模型参数敏感性分析研究

基于两流体方法对动量传递模型中各界面力模型和关键参数进行了参数敏感性分析,研究了界面力模型和关键参数对轴向和加热段末端径向参数分布的影响程度和规律,并借助整体效应实验结果对结算结果进行了对比分析。研究表明,在轴向参数影响方面,不同曳力模型由于基本假设不同,对轴向平均空泡份额会产生一定影响,非曳力模型对轴向参数分布基本无影响。在径向参数分布影响方面,曳力模型对其基本无影响,非曳力中湍流分散力和升力对于近壁区域的空泡份额峰值和对径向空泡份额分布具有显著影响,壁面润滑力对壁面空泡份额峰值具有一定影响。虚质量力对轴向和径向参数分布均无显著影响,在流动过冷沸腾计算研究中可予以忽略。     

蒸汽发生器传热管一、二次侧耦合换热及管外过冷沸腾数值研究

采用两流体欧拉数学模型,结合气相和液相之间的界面传热、传质和动量交换封闭模型以及RPI壁面沸腾模型,利用ANSYS CFX 12.0对蒸汽发生器局部传热管束二次侧的过冷沸腾进行数值研究。数值研究结果与单管内过冷沸腾实验数据对比验证符合良好。结果表明,采用壁面沸腾模型能准确预测沸腾起始点的位置,同时梅花孔板的存在对二次侧流动换热特性影响显著。     

竖直环管内低压水过冷沸腾数值模拟研究

通过在计算流体力学软件(CFX)中添加用户程序实现对低压环管内水过冷沸腾的数值模拟。针对Lee等的过冷沸腾实验工况,利用Unal气泡脱离直径模型修正后的Tolubinsky关系式作为汽泡脱离直径关系式,采用Anglart关系式作为汽泡平均直径关系式。通过比较非曳力模型中不同升力模型、湍流耗散力模型对径向空泡份额分布的影响,提出模型的使用建议。将计算结果与实验进行比较,验证模型在低压工况范围内的适用性。     

竖直环管内低压水过冷沸腾数值模拟研究

通过在计算流体力学软件(CFX)中添加用户程序实现对低压环管内水过冷沸腾的数值模拟。针对Lee等的过冷沸腾实验工况,利用Unal气泡脱离直径模型修正后的Tolubinsky关系式作为汽泡脱离直径关系式,采用Anglart关系式作为汽泡平均直径关系式。通过比较非曳力模型中不同升力模型、湍流耗散力模型对径向空泡份额分布的影响,提出模型的使用建议。将计算结果与实验进行比较,验证模型在低压工况范围内的适用性。     

压水堆燃料棒束通道内过冷沸腾分析

使用Fluent14.5两流体模型中的RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)壁面沸腾模型,对堆芯燃料棒束通道内过冷沸腾现象进行数值模拟,得到了通道内的流场、温度场以及空泡份额的分布,分析了定位格架和搅混翼的存在对热工水力特性的影响。数值结果表明,格架的存在会造成很大的压降,而搅混翼会对流场、温度场和空泡份额分布产生显著影响;RPI壁面沸腾模型的模拟结果与Bartolemei试验数据符合很好。     

基于OpenFOAM的过冷流动沸腾数值模拟

过冷流动沸腾现象被广泛应用于工业生产和动力系统中,对该现象的准确预测是两相流CFD模拟的重要研究方向。本文详细阐述了该模拟过程中的欧拉两流体模型及相关辅助模型,基于开源CFD平台OpenFOAM,模拟了4.5 MPa下竖直圆管内的过冷流动沸腾,得到了截面空泡份额、液相平均温度及壁面温度沿轴向的分布。计算结果与实验值符合良好,说明了模型的有效性和程序的正确性。本文可为在OpenFOAM中添加新的模型及开发新的求解器以模拟过冷流动沸腾问题提供参考。     

基于气泡动力学的过冷流动沸腾边界层模型研究

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。过冷流动沸腾起始于ONB点,结束于Tsat点,中间被OSV点划分为高过冷流动沸腾段和低过冷流动沸腾段,不同阶段流场情况以及气泡行为存在较大区别。目前关于过冷流动沸腾过程的研究主要基于宏观实验、理论研究和数值模拟,随着气泡动力学的发展,从微观层面揭示沸腾机理变得可行。本文基于气泡动力学和气泡边界层模型,提出了一套预测过冷流动沸腾的理论模型,采用分相模型,将流场在径向上划分为多个区域,通过1组准二维控制方程,将各区域内的气泡行为,区域间的质量、动量和能量交换以及两相参数沿轴向的变化情况考虑在内,利用获得的边界层流场信息,可确定ONB点和OSV点。模型与空泡份额和流体温度的实验结果符合良好,并成功应用于核反应堆燃料元件通道的过冷流动沸腾计算。     

Simulations of air–water flow and subcooled boiling flow using the CUPID code

This paper summarizes the physical models and a modified numerical procedure for the lift force of the CUPID code to simulate a subcooled boiling flow. A part of these physical models and the numerical procedure were verified through a calculation of air–water flow tests. A subcooled boiling flow was then calculated to assess the whole implementation. These assessments indicate that the implementation of the physical models and a modified numerical scheme are appropriate, and that the calculated primary variables of a subcooled boiling flow such as the liquid velocity and void fraction profiles can be acceptable in general, though IATE and a turbulence model for a two-phase flow are needed to be improved for a better prediction.     

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。     

CFD analysis on subcooled boiling phenomena in PWR coolant channel

Eulerian two-fluid model coupled with wall boiling model was employed to calculate the three dimensional flow field and heat transfer characteristics in a hot channel with vaned spacer grid in PWR. The heat transfer from pellet-gap-cladding to coolant was also taken into account by a system coupled code MpCCI. The wall boiling model utilized in this study was validated by Bartolomei experiment data, and a good agreement can be observed. By solving the governing equation in a two-way coupled method, the distribution of temperature in the pellet-gap-cladding region and the distribution of temperature, void fraction and velocity of two-phase flow in coolant channel can be obtained. The influences of spacer grid and mixing vane on the thermal-hydraulic characteristics were analyzed. The heat transfer capacity was strongly improved by the spacer grid and mixing vane, while the flow resistance was also enlarged. Localized volume fraction of vapor phase decreased due to mixing vane, which will decrease the possibility of the departure from nucleate boiling (DNB) and increase the critical heat flux (CHF). By analyzing the temperature and void fraction at cladding outer surface, the critical regions where hot spot may occur were determined.     

5×5棒束通道中简单支撑格架对流动过冷沸腾传热的影响分析

采用壁面热分配模型(即RPI模型)对PSBT基准题中的5×5均匀加热全长棒束过冷沸腾传热进行了数值模拟研究。重点分析了加热段末端搅混格架（MVG）下游简单支撑格架（SSG）对棒束通道内流动过冷沸腾传热特性的影响。在水力特性方面，研究发现SSG的形阻压降约为MVG的53%，且对棒束通道内的横向流动具有显著抑制作用。为反映SSG对搅混过程的影响，采用子通道平均横流速度比沿轴向的发展过程对其进行了分析。分析发现，在SSG附近横流速度比迅速衰减，衰减后的横流速度比与光棒束时的大小相当。由于SSG对横流过程的破坏，改变了发热表面的传热特性，在其下游气相迅速包覆加热表面，蒸发热流密度较无SSG情况偏高5%，加热段末端空泡份额偏高0.006，壁面过热度偏高0.3 ℃。     

基于确定性抽样的过冷沸腾边界条件不确定性分析

本文使用Fluent软件构建数学物理模型，对DEBORA过冷沸腾基准实验进行了数值模拟，并采用确定性抽样方法对模拟沸腾流动的边界条件不确定性进行分析，计算得到了主要径向参数分布的期望值和置信区间，分析了边界条件不确定性的影响趋势。此外，还计算得到了不确定性源对部分径向参数的影响权重。结果表明，流体入口温度和壁面热流密度的不确定性对径向空泡份额的影响较大，而运行压力和流体入口温度的不确定性是影响径向液体温度计算的主要因素。     

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。      

Uncertainty Analysis on Boundary Condition in Subcooled Boiling Flow by Deterministic Sampling

In this work, the DEBORA subcooled boiling flow experiments were employed as benchmark and simulated by Fluent. The uncertainty from boundary conditions and its influence trend of the prediction of subcooled boiling flow were analyzed by using deterministic sampling method. The distributions of radial parameters were calculated and the confidence intervals were obtained. Besides, the uncertainty source contributions on radial parameters were also analyzed. The results show that the uncertainties of the inlet temperature and the wall heat flux play predominant roles on the prediction of radial void fraction, while the uncertainties of the operating pressure and the inlet temperature dominate calculation of radial liquid temperature.