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。     

快堆带绕丝环形燃料棒热工水力特性分析

环形燃料棒具有内外两个冷却表面,与传统棒状燃料棒相比,可充分带走燃料芯块产生的热量,有效降低燃料棒表面温度,提升反应堆安全性。通过数值模拟的方法为钠冷快堆建立稳态工况下的环形燃料棒相关数学物理模型,在保持采用绕丝定位方式的基础上,改变绕丝缠绕的位置及数量,对比分析不加绕丝、外绕、内绕、内外绕四种模型对钠冷快堆环形燃料棒温度场、流场、压力场的影响。研究表明：绕丝对流场具有充分搅混的作用,可增加冷却剂的流速,对燃料棒热量导出具有促进作用;采用内外绕时环形燃料棒整体性能最佳,环形燃料棒最高温度为768.2 K;绕丝的引入及绕丝数量的增加,均会引起压降的增加;内外绕时内外流场压降最大,但均在其安全裕度范围内。     

定位绕丝结构对棒束通道热工水力特性影响数值分析

定位绕丝设计广泛应用于金属快堆堆芯设计及气冷快堆堆芯设计中,本文基于三维精细化绕丝定位棒束通道网格模型模拟分析了定位绕丝螺距、定位绕丝数量及定位绕丝形状对超临界二氧化碳在棒束通道中流动换热的影响。模拟结果表明定位绕丝螺距比定位绕丝数量及定位绕丝形状对温场流场的影响更大,定位绕丝螺距小于200 mm时,进出口压降大幅增加,表面换热系数增加,温度不均匀度大幅降低;随着定位绕丝数量增加,进出口压降线性增加,表面换热系数变化不大;圆形定位绕丝可以以较小截面积达到与方形定位绕丝相似的效果,梯形定位绕丝对流场影响不如矩形定位绕丝。     

钠冷快堆燃料组件热工水力特性数值模拟与分析

利用CFD程序CFX,分别对7、19、37、61根棒组成的三角形排列螺旋绕丝定位的钠冷快堆燃料组件棒束通道进行了热工水力特性的分析研究,并将结果与子通道程序SuperEnergy进行了对比验证。重点考察了棒束通道轴向流动分布、横向流交混效应及子通道轴向温升,分析了定位绕丝的影响。结果表明,绕丝对棒束通道的横向流交混效应、轴向流动分布及子通道温升有着重要影响,且随棒束的增多,通道内的流动趋向复杂化,轴向流动不均匀性有升高趋势。     

快堆带绕丝棒束组件低雷诺数下的水力特性分析

低雷诺数(Re)流动存在于正常运行或事故停堆工况的各类组件中,对于快堆的安全运行具有重要意义。利用CFX程序对低Re下的中国实验快堆不同类型的带绕丝棒束组件的水力特性进行了分析。结果表明,通过利用1个螺距的带绕丝棒束组件计算得到的低Re下的水力特性与实验结果以及Engel关系式符合较好。通过利用4个螺距的带绕丝棒束组件计算结果表明,绕丝产生的横向流动使组件6个壁面上压力分布有所不同,但在流动充分发展时,每个面轴线方向的压降按螺距均匀分布,从而进行带绕丝棒束组件水力特性测量时,需在组件同一面上按照整数倍螺距来布置测点,才能避免由于横向流动对测量带来的影响。     

绕丝棒束组件低流速时摩擦阻力实验研究

钠冷快堆在事故停堆余热排放期间,堆芯组件内钠流为自然循环流动,流速很低,因此准确确定绕丝棒束组件低流速时的摩擦阻力系数对钠冷快堆非能动余热排出系统的设计具有重要意义。本文以水为流动介质,准确测量了37棒和19棒绕丝棒束组件在低流速（Re<1 000）时的摩擦阻力系数。实验结果表明,随着流速的降低,绕丝棒束组件的摩擦阻力系数迅速升高,流动从层流向过渡流转变时,摩擦阻力系数有明显跃升。将实验测量值与绕丝棒束摩擦阻力系数经验公式的计算结果进行比较,发现在低流速时,经验公式计算结果较实验测量值明显偏小,同时经验公式计算的绕丝棒束层流向过渡流转变的临界Re较实验值偏大。     

钠冷快堆六角形组件换热特性分析

钠冷快堆乏燃料组件在转运过程中,会暴露在传热性能较差的氩气环境中。为保证燃料组件温度在转运过程中低于安全限值,本研究基于37棒燃料组件开展了在氩气环境下的实验研究及数值模拟计算。研究结果表明：可采用等效导热法对组件内绕丝模型进行简化,简化模型能满足计算精度要求。将计算结果与实验研究结果进行对比分析,结果表明数值模拟方法能较好模拟组件在氩气环境下的换热。六角形燃料组件在氩气中的换热分析中,辐射换热具有重要的影响,实验工况下辐射换热占总换热量的36%～57%。     

钠冷快堆中安全棒落棒过程的水力计算

安全棒及其驱动机构是钠冷快堆中的紧急停堆系统,其落棒时间一直是钠冷快堆安全设计关注的重点之一。本文利用一维水力管网方法对中国实验快堆中的安全棒系统落棒过程开展了详细的建模和分析,得到了安全棒在落棒过程中的位移、速度、加速度与时间的关系,并与中国实验快堆调试试验结果进行了对比。同时,基于该方法开展了中国实验快堆安全棒落棒时间与冷却剂流量及温度的敏感性分析及研究。     

含绕丝棒束低流速时阻力特性的实验研究

钠冷快堆含绕丝棒束组件低流速时的摩擦阻力特性,是设计钠冷快堆非能动事故余热排出系统的重要参数。使用水作为测量介质,采用改进的液柱测压方法,准确测量了一个有机玻璃材质37棒绕丝棒束组件雷诺数Re=200～1 100时的摩擦阻力特性。结果表明,被测量组件从层流向湍流转捩的临界Re为370。组件的入口段长度随着流速的增加而增大,随着流动开始向湍流转变而减小。现有的绕丝棒束摩擦阻力系数经验公式中,UCTD公式与实验值最接近：在层流区,UCTD公式高估了约7%,在层流向湍流转换区,UCTD公式计算值与实验值基本一致。同时,UCTD和CTS公式还高估了组件从层流向湍流转捩的临界Re。     

全流态工况下绕丝棒束内的摩擦压降模型研究

为准确预测液态铅铋在燃料组件棒束内截面的摩擦压降特性,需选取合适的摩擦压降模型。针对8种不同的绕丝棒束内摩擦压降模型,采用统计分析的方式评估模型的适用性,研究不同模型在不同流态范围内实验数据的预测准确性。分析结果表明：摩擦系数不仅与棒束数量（Nr）和节径比（P/D）有关,还与螺径比（H/D）有关;在层流范围内BBDD模型和本文模型与实验数据较为吻合;在过渡流范围内BBDD模型、CTD模型和本文模型与实验数据较为吻合;在湍流范围内Rehme模型、UCTD模型和本文模型与实验数据较为吻合。因此,本文提出的模型适用于全流态的燃料组件棒束内截面的摩擦压降预测。     

稠密带缠绕丝棒束阻力特性研究

为获得稠密布置燃料组件的阻力系数,应用稠密带缠绕丝棒束进行实验研究,拟合阻力系数关系式,并将关系式与经典Rehme关系式进行比较分析。结果表明Rehme关系式不适用于本实验棒束。同时应用计算流体力学(CFD)方法、剪切应力输运模型(SST)湍流模型对实验进行模拟,获得棒束内部的流动形式、压力场和沿程阻力系数,并与实验结果进行对比。结果表明CFD方法可作为预测稠密带缠绕丝棒束单相流动阻力系数的参考。     

基于多表面封闭系统网络法的钠冷快堆乏燃料组件内部传热数值分析

钠冷快堆乏燃料组件在转运过程中会暴露在气体环境中,散热性能明显下降。为预测乏燃料组件在气体环境中的温度分布,特别是避免燃料组件包壳最高温度超过设计限值,本文建立了基于多表面封闭系统网络法的数值模型,以此为基础开发了数值分析程序。通过与37棒束模拟组件实验数据的对比,验证了程序的可靠性。通过与Manteufel-Todreas双层模型预测结果的比较,证明了程序更具有保守性。另外,比较了均匀与非均匀加热两种情况下的温度分布,分析了加热功率、表面发射率对温度的影响。     

基于多孔介质模型的快堆蒸汽发生器热工水力特性数值研究

蒸汽发生器（SG）作为钠冷快堆一次侧钠与二次侧水的热交换器,其可靠程度直接影响反应堆能否安全运行,因此对SG的一次侧热工水力特性的研究具有重要意义。本研究采用多孔介质模型,对快堆蒸汽发生器一次侧流场进行分析。通过对支撑板模型的计算,获得多孔介质控制方程的阻力源项。一次侧向二次侧的释热量通过系统程序Relap5计算,确定多孔介质控制方程的能量源项。通过用户自定义程序将动量源项与能量源项编译至FLUENT求解器中。通过FLUENT求解器求解控制方程,获得SG一次侧流场、压力场、温度场等信息。并通过对比模拟结果与设计值,验证了计算的准确性。      

基于熵产分析的铅-铋冷却带绕丝燃料棒束热工水力特性研究

为了从设计和运行的角度对铅-铋冷却快堆燃料组件的热工水力特性进行分析,基于有限体积法对铅-铋冷却的19根带有绕丝结构的燃料棒束进行数值模拟。对于不同质量流量、热功率下燃料组件流动及传热特性展开分析。并通过熵产分析方法,对不同工况下冷却剂熵产特性及热力学不可逆性进行研究。结果表明：二次流以及熵产分布在轴向上均呈现出周期性变化;入口速度是影响二次流以及熵产分布的主要因素;在保证结构安全的前提下,适当增加冷却剂流速有利于提高冷却剂的热经济性能。     

基于多孔介质和等效热导率模型的快堆乏燃料组件传热特性数值分析

乏燃料组件在运输或转运过程中,组件会裸露在传热较差的气体介质内,需关注其散热性能。为模拟乏燃料组件的传热特性,采用多孔介质模型模拟组件的流动阻力,并利用等效热导率模型模拟组件内部的传热。由于自然对流条件下乏燃料组件内部流动符合层流假设,在多孔介质阻力模型中忽略了惯性力项的作用。将等效热导率模型的模拟结果与SNL-LMFBR实验结果进行对比,证明了该模拟方法的有效性。计算结果表明,在水平放置工况下乏燃料组件温度轴向呈对称分布,在竖直放置工况下轴向呈非对称分布,乏燃料组件的高温区域向组件上方偏移。     

带绕丝2×2棒束超临界水传热实验研究

针对两流程带绕丝定位的2×2棒束实验本体,开展了超临界水的流动传热实验研究。实验结果表明,在带绕丝的2×2棒束中,同一横截面上存在显著的周向温度不均匀现象。在较小的G/q工况下出现传热恶化现象,且存在二次恶化现象。由于绕丝的搅混作用,流道下游的传热恶化得到抑制。实验表明,棒束传热规律与单管类似,对比结果指出Bishop等（1964）的计算公式能较好地预测实验结果。同时与不带格架的2×2棒束相比,绕丝具有强化传热的作用。     

含绕丝2×2棒束内超临界水传热特性数值研究

超临界水冷堆燃料组件多采用稠密栅格布置,用绕丝进行定位,绕丝可增强通道间的交混能力,对通道的换热特征会产生明显影响。以含绕丝的小棒束2×2组件为分析对象,采用计算流体动力学(CFD)方法分析超临界条件下绕丝对换热特征的影响。分析结果表明:绕丝会改善通道的换热能力,抑制周向不均匀分布,但也可能在局部产生壁温峰值。在数值计算中发现壁温峰值的成因有两类,并对二者的成因进一步叙述,分析绕丝结构参数对换热特性的影响。     

铅铋冷却绕丝燃料组件横流特性分析

准确预测绕丝棒束通道内的横向流动特性是开展铅铋冷却快堆热工水力安全分析的基础。本文采用数值模拟的方法分析了液态铅铋工质下单绕丝和多绕丝燃料组件内的横流特性。分析结果表明,单绕丝组件的中心子通道横流流速最大不超过主流流速的19%,且横流方向和二次流中心随着高度周期性变化;单绕丝组件中,当绕丝与子通道交界面重合或垂直时,中心子通道界面横向流量和横流交混指数趋于零或达到峰值;在单绕丝组件结构一定的情况下,横流交混指数在湍流区对Re不敏感,而与组件结构参数存在较大相关性;多绕丝组件中心子通道界面上的横流存在两个相反的流向。     

基于CFD方法的铅铋冷却燃料棒束的热工水力特性分析

铅铋冷却快堆作为第4代反应堆候选之一具有安全性高等特点,研究其在正常工况下的热工水力特性具有重要意义。本文基于商用计算流体力学（CFD）软件STAR-CCM+,使用流固耦合的方法对带有绕丝结构的19棒束铅铋组件进行数值分析,探究了质量流量、功率等边界条件对组件内部流动传热特性的影响。模拟计算结果表明：CFD方法在子通道中心温度和壁面温度预测上与实验结果取得了较好的一致。同时,绕丝结构的存在使得子通道之间存在周期性的横向交混,并使得棒束表面温度呈现震荡。随质量流量的增加,子通道间横向交混增大。功率变化对通道间的横向交混速度的影响较小,冷却剂温度的横向分布无明显差异。     

含绕丝棒束内横向流动的可视化实验与数值模拟研究

螺旋绕丝是第4代先进核反应堆燃料组件的定位装置之一,冷却剂在绕丝作用下发生定向交混和周期性横流,是影响燃料元件包壳温度的重要因素,有必要进行深入研究。本文采用粒子图像测速法对含绕丝7棒束内水的横向流动进行实验测量,得到了横截面整体速度分布和局部流动特性,并利用STAR CCM+软件进行了稳态数值模拟,分析了无量纲横向流速的变化规律。结果表明,棒束内存在整体环流和若干局部涡流,大尺度涡出现在棒和内壁附近,小尺度涡出现在棒和绕丝附近。随着雷诺数的增大,横向流动规律基本一致,但速度大小呈线性增长趋势。湍流模型敏感性分析表明,雷诺应力-椭圆混合模型对流场的预测与实验数据最为接近。横向流动具有明显的周期性,对于所选定的棒束结构,最大横向流速约为轴向流速的25%,且在绕丝经过棒间隙时出现突变。