定位格架新型搅混翼设计研究

定位格架是影响燃料组件热工水力性能的重要部件,其搅混翼对流体存在搅混作用。本文主要针对定位格架搅混翼对流体的搅混作用,采用计算流体力学(CFD)方法研究子通道内部及子通道之间流动搅混较为薄弱的环节。研究表明,增大搅混翼外形尺寸能增强格架的搅混能力,带辅翼的新型搅混翼设计能有效弥补主翼对流动搅混的不对称性,增强格架子通道内部的涡旋搅混能力,优化布置的辅翼形式,不过多减弱子通道之间的横向流搅混作用,且有利于搅混效果的沿程发展,同时还兼顾考虑了由此带来的格架压降增大。     

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。      

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。     

CARR辐照压水堆小组件热工水力分析

分析压水堆4×4小组件在CARR高温高压回路中进行辐照考验时的热工水力问题。利用计算流体动力学(CFD)软件对其进行三维数值模拟,以获得详细的热工水力参数。首先,模拟简化的燃料棒束模型,得出三维温度与速度分布,并分析了传热过程。然后,模拟全尺寸小组件,与棒束模型所得的结果进行对比分析,着重研究其流动,并分析了格架的搅混特性,得出可应用于一维热工水力程序的搅混因子。结果表明,燃料棒最高温度可满足安全性要求,且格架的搅混作用明显。     

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。      

棒束定位格架空泡份额分布特性实验研究

带定位格架棒束通道内的空泡份额分布特性是反应堆热工水力特性研究的重要内容。对AFA 2G3× 3定位格架组成的棒束通道在空气 水两相流动工况下用RBI光学探针测得了通道内的横向空泡份额分布 ,分析了其横向分布的一般规律。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动和空泡份额分布特性有重要影响 ,从而为进一步研究棒束定位格架加热工况下两相流动特性 ,发展新型高热工水力性能燃料组件打下基础     

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。      

棒束定位格架流动和传热特性研究综述

定位格架是反应堆堆芯燃料组件关键部件之一。定位格架的存在影响了堆芯的各种热工水力性能。性能优良的定位格架能改善堆芯燃料组件热工水力性能，提高临界热流密度而不致太增加压力损失。本文就国内外对带定位格架棒束通道内流动和传热特性研究现状和研究结果进行了综述。     

燃料组件：防止组件系统振动的设计

这里介绍一种燃料组件，其格架是沿着燃料组件轴向布置的。格架栅元由条带构成，布置在条带间的搅混翼能通过栅元的冷水产生扰动。在格架的平面图里，每个搅混翼伸向格架栅元内，一个沿着正对角线方向而另一个沿着负对角线方向布置。这种搅混翼布置可以消除冷水的扰动作用，对防止燃料组件系统的振动是有效的。在同一个格架里，搅混翼伸出的方向可以是沿着两个对角线方向或沿着单向的对角线方向。     

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。     

定位格架防勾挂与热工性能协同设计研究

定位格架是燃料组件骨架结构的重要组成部分,其主要功能是夹持定位燃料棒,同时还应考虑防勾挂性能和热工性能。本文从主流燃料组件的运行经验反馈出发,利用三维建模软件UG模拟格架相对运动的方法,对产生勾挂的原因进行分析,明确了外条带导向翼采用连续排列能有效提高防勾挂性能,并通过定位格架勾挂试验进行了验证;通过对定位格架所在边栅元内的计算流体力学（CFD）模拟分析,发现基于传统防勾挂设计的导向翼连续排列形式不利于相邻格架之间的热工性能;在此基础上,设计了导向翼高矮交替排列的方案。理论分析和试验验证结果表明,该方案实现了燃料组件定位格架防勾挂与热工性能的协同设计。      

Thermal-hydraulic and neutron-physical characteristics of a new SCWR fuel assembly

A new fuel assembly design for a thermal supercritical water cooled reactor (SCWR) core is proposed. Compared to the existing fuel assemblies, the present fuel assembly has two-rows of fuel rods between the moderator channels, to achieve a more uniform moderation for all fuel rod cells, and subsequently, a more uniform radial power distribution. In addition, a neutron-kinetics/thermal-hydraulics coupling method is developed, to analyze the neutron-physical and thermal-hydraulic behavior of the fuel assembly designs. This coupling method is based on the sub-channel analysis code COBRA-IV for thermal-hydraulics and the neutron-kinetics code SKETCH-N for neutron-physics. Both the COBRA-IV code and the SKETCH-N code are accordingly modified. An interface is established for the data transfer between these two codes. This coupling method is applied to both the one-row fuel assemblies (previous design) and the two-row fuel assemblies (present design). The performance of the two types of fuel assemblies is compared. The results show clearly that the two-row fuel assembly has more favorable neutron-physical and thermal-hydraulic characteristics than the one-row fuel assembly. The effect of various parameters on the fuel assembly performance is discussed. The coupling method is proven to be well suitable for further applications to SCWR fuel assembly design analysis.     

Subchannel analysis of fuel assemblies of a lead–alloy cooled fast reactor

Lead–alloy cooled fast reactor is one of the six Gen-IV reactors. It has many attractive features such as excellent natural circulation performance, better shielding against gamma rays or energetic neutrons and potentially reduced capital costs. A natural circulation lead–alloy cooled fast reactor with 10 MWth is under design in China (hereafter called LFR-10MW). Fuel assemblies thermal hydraulic analysis is of vital importance for a successful design. A subchannel analysis code with flow distribution model was used to carry out the thermal hydraulic analysis. This work briefly gave the thermal-hydraulic design for the LFR-10MW and analyzed the thermal-hydraulic characteristics under steady-state condition using the subchannel analysis code. Whole core analysis was performed to locate the hottest fuel assembly using the code. The hottest fuel assembly was analyzed to obtain the cladding temperature, fuel temperature and coolant velocity. The maximum cladding temperature, the maximum fuel center temperature and the maximum coolant velocity are all below the design constraints. These results imply that the thermal-hydraulic design of LFR-10MW is feasible.     

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。      

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.     

钠冷快堆乏燃料组件热工水力分析程序开发

为了对示范快堆乏燃料组件的热工水力特性进行分析，自主研发了钠冷快堆乏燃料组件热工水力分析程序SPATANS。该程序基于子通道分析方法，采用适用于低流量下的流动换热和交混关系式。针对乏燃料组件棒束区进行计算，得到组件不同高度处各子通道的温度、压力等热工参数，并将计算结果与三维计算流体力学FLUENT程序的结果进行对比分析。结果表明：自主研发程序的计算结果与FLUENT程序的计算结果较为吻合，偏差在工程可接受范围内，且其计算效率明显高于FLUENT程序。初步表明SPATANS程序可用于钠冷快堆乏燃料组件热工水力分析，并具有良好的应用前景。