CFD技术在国外燃料组件热工水力性能及格架研制中的应用

从反应堆堆芯中导出核裂变产生的热能是为了利用这些热能，也是安全的需要。反应堆热工水力研究的任务之一是研究改进和增强堆芯中燃料组件与冷却剂流体换热能力的方法，以提高燃料元件在安全的原则下的发热功率，或在一定的功率负荷下。使燃料元件有较大的安全裕度。     

优化技术在压水堆燃料组件定位格架开发中的应用

基于计算流体动力学(CFD)技术的优化方法,将CFD软件与三维结构设计软件和计算机辅助优化软件结合起来,对搅混翼结构设计进行了优化,以提高格架的热工水力性能.在5×5格架上对一组最佳结构参数结果进行了CFD计算验证.结果表明,采用这种优化技术进行格架优化设计是可行的.     

复杂几何燃料组件的参数计算

利用加拿大蒙特利尔大学研制的DRAGON程序对反应堆复杂几何组件进行参数计算，并通过压水堆柱状元件基准问题、MTR型反应堆板状元件基准问题和其他不同几何形状的燃料组件进行校核计算。结果表明：DRAGON程序可用于多种复杂几何燃料组件参数的计算，且具有良好的计算精度。      

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。     

先进燃料组件格架交混性能分析

压水堆燃料组件格架上交混叶片的大小和形状影响其交混能力和流动阻力.介绍了格架交混性能优化设计的过程和结果,并用三维计算流体力学(CFD)软件对设计的3种格架方案进行了三维流场分析和比较.结果表明,就最高流体温度和流体最大温差而言,方案3比方案1和方案2的交混性能略好;就典型通道平均温度而言,方案1和方案2比方案3的交混性能好.     

板型燃料组件内部温度场数值模拟

以板型燃料组件为研究对象，采用商用流体力学计算程序CFX5对板型燃料组件内部温度场进行数值模拟。数值计算结果表明：燃料组件不同流道的流速分布和温度分布均较均匀，单一流道的流速分布和温度分布也较均匀。燃料板所构成的各流道从外到内流速变化不太大，在中间流道内流速稍小一些，但差值很小；燃料组件单一流道内的流速在壁面附近快速减小，壁面上流速为0。燃料板和定位梳的温度最高，侧板温度与板间流体温度相近，侧板外侧的流体温度较低。     

NHR200-II燃料组件定位格架简化建模方法研究

提出了一种基于NHR200-II供热堆燃料组件定位格架的简化模型。简化建模方法包括2方面:将定位格架上的内刚凸及三弯弹簧用非线性连接器代替;使用梁单元代替实际燃料棒。结合前期关于NHR200-II定位格架的研究成果,确定了非线性连接器的刚度,并通过有限元软件建立了燃料组件简化前后的1×2局部子模型,分析了其固有频率与碰撞特性,证明了简化建模方法的有效性。随后,该简化方法被应用于全尺寸的9×9定位格架模型,研究了格架夹持能力对动力学特性的影响,结果表明,该简化方法可以有效地模拟不同夹紧程度下格架的地震谱响应。综上,从有限元建模角度来看,本文提出的基于NHR200-II燃料组件定位格架的方法是有效的。      

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。      

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。     

燃料组件格架弹簧刚度模型研究

格架弹簧是压水堆燃料组件的关键零部件,其为燃料棒提供夹持功能。刚度是格架弹簧的关键特性,其关系到燃料棒的堆内运行性能。本文基于格架弹簧的结构以及受力特点,给出了格架弹簧的受力分析模型,并推导了理论刚度计算公式,即得到了格架弹簧的理论刚度模型。另外,在商业有限元软件ABAQUS中建立了多种尺寸格架弹簧实体结构的有限元刚度模型,并计算获得了格架弹簧的变形量以及刚度曲线。通过有限元结果与理论刚度模型结果的对比,证明了理论刚度模型的合理性,并分析讨论了理论刚度模型的优缺点。本文首次提出的格架弹簧理论刚度模型可用于代替格架方案设计期间的有限元迭代过程,并能快速获得优化方案的主要设计尺寸。但本文分析方法不能替代实验,在方案固化后仍需开展实验确定格架弹簧的刚度。本文得到的格架弹簧理论模型可为燃料组件格架弹簧参数的快速优化设计提供新的思路。     

燃料组件5×5格架多跨模型CFD模拟方法研究

本文详细描述了某典型燃料组件5×5格架模型CFD分析的几何模型简化、网格划分、求解及后处理等过程。在5×5结构单跨模型上研究了弹簧刚突对搅混特性及压降的影响,并采用简化弹簧刚突的5×5格架模型实现了包含11层格架的多跨模型计算。单跨模型计算结果表明,弹簧刚突结构强化了横向流动,利于换热,Nu提高了8%,但弹簧刚突格架模型较简化弹簧刚突模型压降损失增加了40%。多跨模型计算得到了多层格架全程流动换热特性,为燃料组件自主研发中定位格架数量及布置的设计优化以及DNB预测计算提供了有效的CFD分析方法。     

定位格架与子通道压力损失预测模型研究

定位格架与子通道压力损失的准确预测对定位格架和压紧系统设计以及临界热流密度关系式开发有着至关重要的影响。本文通过对典型定位格架结构识别,研究了典型定位格架子通道划分依据,重点研究了定位格架压力损失与子通道压力损失之间的关系以及子通道内各设计特征,包括不同设计的弹簧、刚凸、搅混翼、导向翼、条带等引起的压力损失特点。通过对子通道内各设计特征进行合理简化与抽象,以经典水力学阻力结果为基础,等效为圆管内具有一定倾角的平板,从而建立了子通道压力损失预测模型,进而建立了定位格架压力损失预测模型。计算结果显示模型能准确预测试验值。     

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。      

模拟燃料组件导向管上应变计的粘贴工艺研究

燃料组件力学试验需要测试燃料组件不同部位受力点的物理参量。受力点应变的测试需要粘贴应变计来实现测试。然而,燃料组件的结构复杂且紧凑,难以实施应变片的粘贴。针对以上问题开发了一种应变计粘贴工艺,对燃料组件导向管上狭窄空间进行应变计的粘贴。试验结果表明,应变计测试数据有效、可靠。      

基于CFD方法格架局部阻力系数计算模型研究

为了研制高性能燃料组件,定位格架的阻力特性直接关系到燃料组件的热工性能和水力相容性。本文针对5×5规模的定位格架,从流动阻力的基本原理出发,利用CFD方法研究并建立了格架局部阻力特性的理论计算模型,并对计算结果进行验证。结果表明,基于计算模型获得的格架局部阻力系数与直接模拟结果基本一致,验证了计算模型的准确性。     

基于SIMO的燃料组件模态试验研究

燃料组件的结构模态频率和振型反映了其自身结构的固有特性,其结构的损坏会降低燃料组件工作的可靠性,是出现工程事故的主要原因之一。利用单点激振多点输出(SIMO)试验模态方法,并基于LMS模态分析软件,对某型号燃料组件进行了锤击法模态试验。以单激振力为输入信号,多个加速度传感器的加速度信号为输出响应,获得了该燃料组件的各阶模态参数和振型。