紧密栅棒束子通道间周期性大尺度涡的CFD模拟

为准确评估紧密栅棒束子通道间的搅混现象,采用开源计算流体力学（CFD）软件OpenFOAM 2.0并基于k-ω的显式几何雷诺应力湍流模型对两种子通道内的周期性大尺度涡结构进行模拟,研究了紧密栅子通道间周期性大尺度涡波长、峰值频率等参数的变化规律。结果表明,周期性涡结构存在一个很强的峰值频率,其平均最大频率随雷诺数（Re）呈线性增加,但其平均波长（λ）不随Re变化,只与子通道的结构参数有关;周期性涡结构导致两个子通道间存在很强的周期性的流动震荡,是紧密栅子通道湍流搅浑得到强化的主要原因。      

三角形排列的紧密栅元棒束内流动行为的数值模拟

对三角形排列紧密栅元通道内的空气湍流流动进行了数值研究,系统考察了涡粘性和雷诺应力两类湍流模型模拟紧密栅元通道内流动特征的适用性.结果表明:SSG雷诺应力模型对流动有较好的模拟,这说明湍流各项异性的模拟在紧密栅元中十分重要;不同雷诺数和几何结构下的模拟显示,二次流的大小和雷诺数的相关性不大.但随着棒间距和棒径比(P/D)的增大,二次流减小.     

快堆燃料组件棒束通道内流动和传热现象分析与研究

利用三维计算流体力学软件CFX 12.0对由7根带螺旋状定位绕丝的燃料棒组成的快堆燃料组件典型棒束通道内的流动和传热现象进行了数值模拟。模拟得到不同Re下的压降系数曲线与Nu曲线,并将计算结果与经验公式的计算结果进行了比较,两者符合较好。研究了组件内3类典型子通道的横向流交混效应,分析了3类典型子通道的横向流分布特点,发现角子通道横向流交混强度沿轴向波动较大,而3类子通道的横向流交混强度均存在周期性。研究了中心燃料棒壁面上3个截面的局部换热效应,发现在燃料棒与绕丝接触处传热效果最差,在事故分析时应重点关注。     

不同棒束结构稠密栅元通道内的湍流CFD研究

采用URANS（UnsteadyReynoldsAveragedNavierStokes）方法对不同棒束结构稠密栅元通道（P/D=1.001～1.2）内的湍流流动进行CFD模拟。研究分析了不同Re（Re=5000~215000）的湍流流动的主流速度、壁面剪应力、湍动能等参数。研究表明：在较稠密的棒束（P/D<1.1）通道内,P/D的变化对子通道内主流速度和剪应力分布均有较大影响。本文的模拟结果也验证了在达到临界P/D前（即使δ/D<0.011）,交混因子Y和δ/D成反比关系。对于固定的棒束结构（P/D=1.062）,当Re达到一定值（Re=9600）时,子通道内主流速度和剪应力分布对Re的变化不敏感。     

快堆组件稠密棒束数值模拟

为详细研究快堆组件稠密棒束中的冷却剂流动方式,本工作采用Fluent程序对169棒束快堆燃料组件进行了三维数值模拟,并与已公开发表的文献结果进行了对比。由计算结果可知：计算得到的摩擦系数结果在Re为35885～61354时与试验结果符合较好;从中心到外围,横向流和轴向流在不同的方向和位置呈现出不同的流动特性。根据模拟结果可更准确地预测棒束通道内的流动情况,可为今后稠密棒束组件水力学设计和子通道内流量测量试验提供参考。     

7棒束紧密栅元流体流动传热数值研究

紧密栅元内的流体流动传热研究对高转化比反应堆燃料组件的优化有十分重要的意义。本文采用CFD方法对7棒束紧密栅元棒束通道内流体流动传热现象进行了数值模拟,并与7棒束紧密栅元内氟利昂流体传热的实验结果进行对比分析,详细分析了定位格架对棒束内流体传热流动的影响。结果表明：数值计算所得的非加热棒的壁面温度和实验吻合良好,定位格架的存在对其下游流体流动、棒束最高温度分布及交混系数有明显的影响,棒束某些位置因流动滞止导致温度大幅上升,在设计中应加以注意。     

摇摆条件下棒束通道流场特性研究

由于海洋条件下反应堆处于非稳态工况，会产生倾斜、摇摆、起伏等运动，这些运动将会在棒束通道中引入额外的惯性力场，对棒束通道中的流场会有额外的影响，因此有必要对摇摆条件下的棒束通道进行研究。本文基于粒子图像测速（PIV）技术开展了摇摆条件下节径比为1.326的棒束通道内流场分布特性研究。对比了相同流量条件下稳态工况与瞬态工况下流场分布差异，分析了同一加速度时棒束通道内不同位置的流场分布特征。实验结果表明：摇摆运动对棒束通道中部的影响较小，对通道两侧的影响较大。通道两侧的速度场呈现周期性波动，波形为反相。在流量较低的情况下会出现倒流现象，但定位格架此时对上游并未造成横向速度影响。研究表明摇摆运动引起的流场变化与脉动流引起的流场变化有较大差异，其中脉动流造成的速度场变化是均匀脉动的，而摇摆引起的速度场是在通道两侧呈现反相波动。     

基于PIV技术的低雷诺数下棒束通道流场研究

基于粒子图像测速（PIV）技术开展了低雷诺数（Re）条件下5×5棒束通道内充分发展段的流场可视化研究,试验Re从310~12296内选择了22组工况进行研究。试验结果表明:在低Re下,棒束通道内部的相对速度梯度较大,随着Re的上升,棒束通道内速度趋向于均匀化分布;通过阻力特性观察到的棒束通道中转捩相对于圆管较为模糊,转捩Re为900左右;在低Re效应的影响下,无量纲速度均方根随Re的增大而减小,而在转捩Re附近出现了无量纲速度均方根随Re的增大而增大的现象;此外该试验可以用于验证湍流模型对于不同Re的适用性。      

紧密栅元棒束通道内的传热流动数值模拟

对紧密栅元棒束中心通道和壁面通道内空气的传热流动行为进行了数值研究;结合实验数据对壁面温度、剪应力、流体温度和速度以及湍动能等参数进行了分析.结果表明:随着节径比(PID)的减小,紧密栅元棒束通道内参数的不均匀性会增加,在通道的间隙区会出现壁面温度的峰值.在紧密栅元组件的设计中应该考虑这种间隙区的高温点分布;通道壁面的...     

脉动流下棒束通道内流场与湍流特性的PIV实验研究

事故条件下路基核反应堆以及受到海洋条件附加惯性力影响的浮动核反应堆一回路冷却剂会处于非稳定流动状态,进而改变冷却剂的流动和传热特性,影响反应堆的安全运行。本文应用锁相粒子图像测速（PIV）以及折射率匹配技术分别对脉动流条件下有无定位格架棒束通道内瞬时速度进行了测量。实验结果表明：对于不带定位格架的棒束通道,加速使得靠近通道壁面附近流体速度变大,而靠近中心区域流体速度变小。此外湍流强度分量随流体加速而逐渐变小,随流体减速而逐渐增加。对于流向压力梯度驱动的周期性脉动流,横向脉动速度均方根分量u′滞后于流向脉动速度均方根分量v′,且二者都滞后于流速的变化;对于带定位格架的棒束通道,带有搅浑翼的定位格架强烈的交混作用极大地减小了流体加速度对棒束通道内速度分布和湍流强度带来的影响。实验结果有助于更加清晰地揭示脉动流在棒束通道中的作用机理。     

Unsteady Reynolds Averaged Navier–Stokes simulation of the turbulent flow pulsation and coherent structures in a tight lattice in rolling motion

The flow in a tight lattice is strongly affected by the quasi-periodic lateral flow pulsations caused by large scale vortices. This kind of large scale vortices is largely responsible for the momentum and heat exchange across the gaps. In rolling motion, the coherent structure and flow oscillation are affected by an additional force. The coherent structure in rolling motion is more significant than that in no rolling motion. The oscillation period in rolling motion is about 10% bigger than that in no rolling motion. The rolling motion can affect the coherent structure. However, the effect of rolling motion on the thermal hydraulic parameters, i.e. wall temperature and bulk temperature, is very limited. The wall temperature and wall shear stress in rolling motion and no rolling motion are nearly the same. The additional force due to rolling motion can change the moving characteristics of coherent structures, but its effect on the turbulent flow and heat transfer is weak.     

The Effect of Mixing-vane Arrangements in a Subchannel Turbulent Flow

Large eddy simulation (LES) of developed turbulent flows in a rod bundle was carried out for four spacer designs. The mixing-vanes attached at the spacer were inclined at 30° or 20° they were arranged to promote the swirling or convective flow. These arrangements are possible elements to compose an actual rod bundle. Our LES technique with a consistent higher-order immersed boundary method and a one-equation dynamic sub-grid scale model contributed to an efficient treatment of the complex wall configurations of rods and spacers. The computational results reasonably reproduced experimental results for the drag coefficient and the decay rate of swirling flow. The profiles of the axial velocities and the turbulence intensities indicated reasonable trend for the turbulent flow in the rod bundle. The effect of mixing-vane arrangement on the lateral flows was successfully clarified: the cross flow took the longer way on the rod surface than the swirling flow and then was more significantly influenced by momentum diffusion at the no-slip wall. Therefore, the largely inclined mixing-vanes promoted the cross flow only in the neighborhood of the spacer; the swirling flow inside a subchannel could reach farther downstream than the cross flow.     

5×5棒束通道内压降特性实验与数值研究

分别以实验与数值模拟对5×5棒束通道压降特性进行了研究。在5×5棒束通道实验本体上开展了压降实验研究,雷诺数范围为2000～14000。获得了棒束通道内压降随雷诺数的变化关系,并在实验工况范围内拟合了摩擦阻力系数计算经验关系式,关系式对摩擦阻力系数的预测偏差在5%以内。在实验研究基础上,开展了棒束通道内压降数值研究。对于雷诺数低于2000的工况选取层流模型,雷诺数高于2000的工况选取标准k-ε模型、Realized k-ε模型、RNG k-ε模型与LPS-RSM等湍流模型,开展了棒束通道内流场数值模拟,并拟合了层流工况下高精度摩擦阻力系数计算关系式。数值模拟结果表明,雷诺数较高时,标准k-ε模型、Realizedk-ε模型、RNG k-ε模型与LPS-RSM等湍流模型均能较好地预测摩擦阻力特性。     

URANS simulation of the turbulent flow in a tight lattice: Effect of the pitch to diameter ratio

The turbulent flow in 37 rod bundles is investigated with CFD code FLUENT. The calculation results were validated with experimental data at first. Then the effects of diminishing rod-rod gap size on local flow, heat transfer and coherent structure in tight lattice are analyzed. The critical pitch to diameter ratio is next to 1.03. As the pitch to diameter ratio decreases from a high level to 1.03, the coherent structure and flow oscillation increase gradually. However, as the gap size continues decreasing, the coherent structure and flow oscillation decay very quickly. In the very narrow gap, the coherent structure is so weak that it could be neglected. The oscillations of velocity, wall shear stress and wall temperature are also very weak. But the spatial variation of the parameters in this gap is very significant.     

基于激光多普勒测量的6×6棒束间湍流流动研究

采用3D激光多普勒测速装置研究了6×6棒束间的流场分布。实验选择了5种工况进行研究,雷诺数范围为6.6×103~7.03×104。其中6×6棒束试验段几何结构模拟相邻组件的布置方式。实验设置两种测量模式,第1种模式选择从试验段侧边测量,获得了距定位格架不同位置处的轴向速度和湍流强度的分布;第2种测量模式选择从试验段出口端面进行测量,获得了出口截面子通道间的三维速度和雷诺应力分布。通过对比不同雷诺数下的实验结果,分析了雷诺数对此次6×6棒束实验的影响。比较发现在雷诺数为6.6×103的情况下,存在低雷诺数效应。     

Measurements of frequencies and spatial correlations of coherent structures in rod bundle flows

Cross-wire anemometry was used to identify and characterize coherent flow pulsations in isothermal air flow near the gap regions of a five-rod bundle with a design pitch-to-diameter ratio of 1.149 and contained in a quasi-trapezoidal duct. It was confirmed that such pulsations are quasi-periodic and contribute significantly to the velocity fluctuations across the gap. The frequency of pulsations was found to decrease with diminishing rod–wall gap size in the range between 0.015D and 0.250D, where D is the rod diameter. The pulsations in a rod–wall gap and an adjacent rod–rod gap were strongly coupled and occurred at the same frequency as one rod was displaced towards the duct wall.     

新型栅元湍流流动及涡结构数值模拟

本文利用非稳态雷诺平均模拟(URANS)对非均匀壁厚新型栅元中的准周期性大尺度涡结构和湍流流动特性进行了模拟和分析。结果表明:新型栅元的对流换热能力优于传统栅元的;增加周向角可强化涡结构强度;随周向角的增大,新型栅元摩擦阻力系数呈现先减小、后趋于恒定的变化趋势,而传热系数则会在达到极小值后略有上升。     

ADS无窗靶件自由界面模拟实验和数值研究

冷却剂自由界面形态的形成和控制是加速器驱动的次临界系统(ADS)无窗靶件设计的关键技术之一。采用水介质对无窗靶件模型的自由界面特征进行了实验和数值研究。实验中采用激光诱导荧光的示踪方法实现了流场的可视化,得到Re=30000～50000范围内的自由界面和可视化流场。在高Re工况下,流场中出现大尺度的非稳定涡结构,随着Re的降低,流场中涡结构的紊乱程度增加。分别采用大涡模型（LES）和两方程动能-特征耗散率模型（kω-SST）对无窗靶件实验工况进行了数值分析,计算结果表明,LES能较好地模拟实验中所得的流场现象和界面特征。     

启明星2号轻水堆燃料棒价值实验和模拟研究

本文对启明星2号零功率装置中轻水堆的单根棒价值进行了实验和模拟研究。利用MCNP6程序和5种截面库计算出5组动态参数,将实验所测的倍周期代入倒时方程得到了5种动态参数对应的单根棒价值。采用斜率法计算出5种数据库对应的单根棒价值,并与实验结果进行了比较。结果表明：5组动态参数给出的周期法实验结果存在明显差异,不同数据库下斜率法给出的模拟结果基本一致;采用JENDL-4.0库时,实验值与模拟值吻合最好,相对偏差小于1%。本文推荐选用JENDL-4.0库计算的动态参数处理实验数据,周期法所得的单根棒价值为(0.237 6±0.015 6) mk。获得精确的单根棒价值,将有助于提高后续ADS相关实验的准确性和可靠性。     

自然循环流动不稳定条件下的传热特性实验研究

为探究流动不稳定性机理,在低压自然循环系统中开展了一系列相关实验,分析了不同流量振荡模式下自然循环的沸腾传热机制及局部传热特性。实验表明：中、低热流密度下出现的较规则的周期性振荡由加热段内流动沸腾诱发,壁面过热度不会随流量振荡而大幅度变化;高热流密度下自然循环系统出现的周期性不规则振荡现象中,流动沸腾类型间的相互转变不是流量波动的唯一原因。大幅度的流量脉动可能在高热流密度下导致沸腾临界的发生,出口壁面出现间歇性干涸,局部传热系数下降的同时伴随壁温的短暂飞跃。随着热流密度的提高,自然循环系统可能出现持续性干涸。