超临界反应堆堆芯中定位格架阻力特性影响数值研究

采用非结构化多面体网格,利用商业计算流体动力学软件对4类定位格架对超临界反应堆堆芯子通道内阻力特性的影响进行数值研究。定位格架造成的压力损失主要为摩擦阻力和形状阻力,前者由格架本体长度决定,后者则与定位格架的阻塞率以及流动强化特征的结构有关。交错型叶片结构的流动强化特征由于更具流线性,因而在强化流动的同时,造成的压力损失较小。由于C类定位格架相对于标准蛋篓型定位格架所具有的流动强化优势,在超临界反应堆的设计过程中,可以将其结构作为定位格架优化设计方向加以重点考虑。     

定位格架典型部件对5×5棒束通道内流场影响的数值研究

采用数值方法对5×5定位格架棒束通道内三维流场进行了研究,以了解定位格架各典型部件对流场的不同影响。采用混合网格技术、SSTk-ω湍流模型,改进的速度-压力耦合算法SIMPLEC及并行算法技术求解雷诺时均的连续性方程、动量方程,得到通道内各截面的速度场和压力场,并分析了格架各典型部件对流场的影响。结果表明：搅混叶片是产生横向速度的主要原因;弹簧和刚突对轴向速度和阻力系数有较大影响,其中,弹簧的影响更大;搅混叶片对轴向速度有掺合平均的作用。     

新型定位格架夹持结构的疲劳特性研究

针对新型定位格架夹持结构及其疲劳问题,利用有限元分析手段评估其运行条件下的应力状态,并开展弹簧疲劳特性实验,分析疲劳失效特性及裂纹萌生位置。结果表明,该夹持结构的弹簧疲劳失效大致经历载荷降低与快速失效等阶段;由于弹簧支撑腿的作用,失效后弹簧依然维持一定的载荷,约为名义载荷的0.42倍;同时,弹簧结构的疲劳与裂纹萌生位置不仅与应力值有关,还受载荷传递关系的影响。有限元数值模拟可以作为定位格架夹持结构设计与优化的有效辅助手段,并可初步判断其疲劳失效的位置。     

棒束通道定位格架沸腾临界特性数值研究

为研究核反应堆中定位格架及搅混翼对沸腾临界现象产生的影响,本文采用计算流体动力学（CFD）分析方法,探讨了棒束通道中定位格架的数目、位置和搅混翼的角度对于沸腾临界现象的影响。结果表明:定位格架会对主流流动产生阻力,同时定位格架数目越多,沸腾临界发生的温度也越高,但将定位格架布置在沸腾临界发生位置时,则可有效改善壁面传热环境并降低沸腾临界发生时的峰值温度。搅混翼的存在则会有效降低加热面附近空泡份额,改善传热环境,但搅混翼角度过大时会导致沸腾临界提前发生。      

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。     

压水堆棒束定位格架两相搅混特性数值研究

本文提出一种CFD方法用于评价压水堆燃料棒束定位格架两相搅混特性。针对两种典型的定位格架,采用CFX12.0进行了空气-水两相流动的数值模拟,并与采用氟里昂工质开展的临界热流密度（CHF）实验进行对比。结果表明,CFD方法可初步应用于评价格架下游汽泡的分布特性。     

新型定位格架夹持结构的力学特性研究

定位格架夹持结构是保证燃料棒横向与轴向定位的关键。为进一步提高燃料组件中子经济性、简化定位格架生产流程,本文设计了一种可直接从格架条带上冲制而成的拱形且带小刚性凸起的弹簧结构,与刚凸组成新型定位格架夹持系统。针对设计的夹持结构,进行了单条带弹簧、单条带刚凸及格架栅元夹持结构的力学性能试验,获得了弹簧、刚凸、栅元内夹持结构的进程形变量-载荷曲线和回程形变量-载荷曲线,并分析了各结构在100%与120%名义形变量下的载荷、永久形变量等力学性能数据。结果表明：新型全锆夹持结构在名义形变量附近具有较好的力学稳定性;格架栅元夹持结构与单条带弹簧试验所得力学性能相近,表明单条带试验具有较高的代表性和可靠性。     

定位格架典型部件对5×5棒束通道内流场影响的数值研究

采用数值方法对5×5定位格架棒束通道内三维流场进行了研究,以了解定位格架各典型部件对流场的不同影响。采用混合网格技术、SSTκ-ω湍流模型,改进的速度-压力耦合算法SIMPLEC及并行算法技术求解雷诺时均的连续性方程、动量方程,得到通道内各截面的速度场和压力场,并分析了格架各典型部件对流场的影响。结果表明：搅混叶片是产生横向速度的主要原因;弹簧和刚突对轴向速度和阻力系数有较大影响,其中,弹簧的影响更大;搅混叶片对轴向速度有掺合平均的作用。     

定位格架对再淹没传热的影响

采用21根束棒元件研究定位格架对再淹没传热的影响。测量了元件壁温、塌陷液位、液体夹带的瞬态变化过程,研究了流道外壳温度对再湿速度的影响。试验表明,再淹没过程中,定位格架下游的元件表面温度明显下降,骤冷前,定位格架下游的传热系数比上游高,特定工况下,可高出70%,定位格架对传热的影响程度随试验参数及距骤冷前沿位置的不同而不同;影响范围约为100至150mm。试验的参数范围为:入口欠热度为15～80℃;初始壁温400～610℃;入口淹没率15～60mm/s;加热功率0～0.25kW/m;系统压力为常压。     

沸水堆定位格架两相流特性试验研究

通过减少模型构造中的经验主义，核工业中使用的最佳评估程序的性能将会有很大的改善。定位格架对反应堆燃料组件允许的最大临界热流密度有重要的影响。因此．使用恰当的定位格架模型能改进最佳评估程序临界热流密度的计算能力。定位格架对液体挟带行为的真实模拟需要对所涉及的不同的机理进行了解。由于与定位格架挟带行为有关的直观的信息不可能从运行中的反应堆中获得。因此，需要通过设计和试验来获得。在文献资料中，大多数有用的定位格架的试验都是为了获得定量数据来发展或修正传热、临界热流密度或压降的经验公式，很少有试验被设计来提供揭示定位格架的作用和涉及的两相流现象的基本信息。为获得流经沸水堆定位格架上游和下游的两相流行为的有关信息，进行了气一液试验研究。试验段的通道横截面、棒径，以及其它一些与典型沸水堆燃料组件定位格架有关的结构都是按原型尺寸设计和建造的。试验段模拟了沸水堆堆芯中两个相邻子通道中流体的流动行为，涉及两相邻通道的原型沸水堆定位格架部分采用工业低碳钢棒，其目的是为了更好的表征通道内部的结构。在试验中，维持其对称结构，由此，通道壁实际上就可看作流道的边界。通过棒底部的小孔注水在棒的表面形成液膜，保证底部定位格架上游的流动为环状流。调整流动工况使其为典型沸水堆的运行状况。试验图片显示，由于棒和格架间的接触点剥离了大部分棒表面的液膜．因此，定位格架上液膜的挟带被大大增强了。减少液相流量最终会导致干涸，干涸产生在定位格架正上游位置处。     

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。      

搅混格架结构对棒束通道内单相流场影响的数值研究

采用数值方法对搅混格架(简称格架)内单相流体三维流场进行了研究.采用混合网格技术,标准k-ε湍流模型,改进的速度压力耦合算法SIMPLEC求解了雷诺时均的连续性方程、动量方程,得到了格架内各截面的速度场和压力场,分析了格架各部件对流场的影响.结果表明:弹簧和刚突的存在会形成横流和涡流,但形成的横向速度较小;在格架附近对轴向速度影响较大,对格架的阻力特性影响也较大;交混叶片对横向速度影响较大,对轴向速度有掺合平均的作用.     

计算流体动力学在燃料组件热工水力性能分析和格架研制中的应用

国外使用商用计算流体动力学(CFD)软件分析燃料组件中流体的三维流场和温度场,并将验证的方法用于燃料组件格架设计,获得了成功。中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环重点实验室用CFX程序对带格架棒束内流场进行了计算,解决了小尺寸复杂结构几何体的模拟,边界条件的选取和CFX计算能力的评价,然后完成了单相,空气一水两相流场和流动特性的计算分析及试验对比验证。已完成的研究表明,尽管CFX程序目前在计算两相流动和传热方面还存在不足,但通过比较单相流场的湍流,旋涡和棒束附近流体温度分布基本可以评价格架对流体的交混性能;格架上的弹簧和刚突对于流动有相当的作用,对其进行模拟是必要的。研究还建议在使用CFD方法进行燃料组件格架热工水力分析前要先进行基准练习以保证分析结果的正确性。     

AFA3G定位格架条带技术研究

介绍了目前国外燃料组件高燃耗、长周期、低泄漏的发展方向;阐述了研制高燃耗燃料组件定位格架的必要性和可行性。提出了定位格架研究中的主要技术指标、研究方案和实施途径。明确了定位格架条带的研制内容和模具制造中的技术难点;给出了总体实施方案,并确定了研究目标及技术性能指标。最后对格架研制中的关键技术和实施方案及格架研制中的相关配套条件进行了分析。     

秦山核电厂压水堆燃料组件定位格架设计

秦山核电厂压水堆燃料组件定位格架是六点支撑15×15排列弹簧定位格架。文中列出了设计依据和要求,介绍了计算和试验的结果,并详细地从物理、热工、水力、机械几个方面评价定位格架的设计。     

Mechanical Performance of Newly Developed Supporting Structure of Spacer Grid

The fuel rod supporting structure of spacer grid is of great importance to ensure the fuel rod at the appropriate horizontal and axial position. On the purpose of improving the neutronic economy and simplifying the manufacturing and assembling process of spacer grid, the innovative curved dimple and vaulted spring with small dimple on it were designed, which were directly punched from the zirconium strap of spacer grid. The mechanical experiments were performed to acquire the deformation-load curves of dimples and springs of single strap and in-grid cells, which could provide the load and residual deformation at 100% and 120% nominal designed deformations. The result demonstrates that the designed supporting structure has a relative stable load at the 100% nominal designed deformation, and the test method of the single strap is representative for the similar deformation-load curve between the spring and the in-grid cell.     

考虑格架的控制棒尖齿效应研究

利用节块法计算控制棒效应时,若处理不好控制棒价值会出现锯齿状的变化,即控制棒尖齿效应。本文利用一维模拟三维,分别将体积权重方法、轴向细网通量体积权重方法和带轴向不连续因子的轴向细网通量体积权重方法对不考虑格架和考虑格架时的控制棒尖齿效应进行修正,并比较其结果的差异。结果表明,格架带来的误差不可忽视,应选择较好的方法来得到均匀化截面,此外加入轴向不连续因子可明显减少均匀化所带来的误差。     

水力步进缸静态保持流量的数值计算

以控制棒水力驱动系统为研究对象．采用商用流体力学计算程序CFX5对水力步进缸槽对孔部位,排气孔和迷宫漏流分别进行了数值计算．以获得步进缸的静态保持流量数值计算结果表明：槽对孔部位的流量是水力步进缸静态保持流量的主要部分．决定了水力步进缸静态保持流量随外套位置的变化规律;排气孔流量和迷宫流量所占的份额很小．其对步进缸静态保持流量的影响也很小：随着温度升高．水力步进缸的最小静态保持流量和最大静态保持流量都逐渐增大．这与实验结果吻合。