超临界水冷堆CSR1000燃料组件子通道分析

利用实验数据和计算流体力学(CFD)商用软件CFX对现有子通道分析模型进行研究,分析其在超临界水冷堆(SCWR)分析中的适用性,并根据分析结果对ATHAS程序进行改进。采用改进的ATHAS程序对超临界水冷堆CSR1000燃料组件进行稳态子通道分析,获得燃料组件冷却剂和包壳温度分布、流动压降等参数。结果表明:减小螺旋肋螺距(Hw)可展平燃料组件冷却剂出口温度分布、降低包壳表面最高温度(MCST),但同时燃料组件流动阻力将增大。     

钠冷快堆分析程序ATHAS-LMR的子通道模型

以子通道模型和绕丝分布式阻力模型为基础,研发了液态金属快中子增殖堆热工水力子通道分析程序ATHAS-LMR,以对液态金属快中子增殖堆燃料组件中的热工水力现象进行分析。与国外知名实验和类似子通道分析程序比较,结果表明：ATHAS-LMR与实验结果及其他子通道分析程序的结果相近,能够完成包括堵流工况的各种工况下液态金属快中子增殖堆组件的热工水力性能分析。     

带螺旋肋的圆环通道内超临界水传热特性数值研究

强化单相流体管内强制对流换热的有效措施之一是使流体发生旋转运动。本文采用计算流体动力学(CFD)方法,参考已有实验研究,建立起带螺旋肋片圆环通道的流固耦合模型,对该通道内超临界水传热特性进行数值模拟。计算中选取与实验数据吻合较好的湍流模型,研究螺旋肋片对超临界水传热特性的影响。结果表明:螺旋肋片的存在会使通道内表现出传热增强,然而在正常传热工况下,这种强化传热的效果并不明显。螺旋肋片的个数和螺距对传热特性有很大的影响,实际中应予以考虑。此外,热工参数的变化会显著影响肋片两侧局部热点的温升和温度的周向不均匀性。     

带螺旋肋片方环形通道内超临界水传热特性实验研究

开展带螺旋肋片方环形通道内超临界水传热特性实验,获得不同热工参数条件下的实验数据。实验工况范围为:压力23~25 MPa;质量流速600~1000 kg/(m2·s);热流密度300~800 k W/m2;螺距160 mm。基于实验数据研究压力、质量流速、热流密度对传热特性的影响。与光滑方环形通道内的实验数据对比发现:在相同热工参数条件下,带肋片方环形通道内换热系数比光滑方环形通道高,螺旋肋片对超临界水条件下的传热有较大的改善作用。对实验数据进行多元线性回归得到带螺旋肋片方环形通道内超临界水传热经验关系式。     

超临界水堆子通道分析

超临界水堆作为6种第4代未来堆型中唯一的水冷堆,具有一些独特的特点,受到了广泛重视。本工作以上海核工程研究设计院的常规压水堆子通道程序为基础,开发编制了适用于超临界水堆的子通道程序,并对典型带有慢化剂水棒的超临界水堆燃料组件进行了模拟计算,得到了堆芯子通道内的温度、燃料棒包壳温度、表面传热系数等参数的分布规律。此外,研究了不同超临界流体换热关系式对计算结果的影响,结果显示,各传热关系式的计算结果存在一定差异。     

超临界水冷堆双排燃料组件子通道分析

研究基于Cobra-IV程序,开发了适用于超临界水冷堆燃料组件分析的子通道程序.针对超临界水冷堆慢谱双排组件,进行了稳态计算,获取了相关组件热工水力参数.在此基础上,针对单一通道进行了瞬态计算,分析了燃料棒线功率变化和冷却剂流量变化条件下,超临界水冷堆燃料组件的流动和传热的动态响应,为超临界水冷堆组件的优化设计提供了参考.     

棒束通道中燃料棒壁面温度的子通道分析

燃料棒的壁面温度是反应堆设计和运行过程中需要关注的重要参数之一。本文利用子通道程序对燃料棒壁面温度进行模拟,通过与实验数据对比,分别分析了子通道程序中的单相和两相换热模型。单相换热模型中,采用适用于棒束的Weisman公式与常用的D-B公式对比计算并最终选用Weisman公式。两相换热模型中,选用RELAP4公式包进行计算并对其判断准则做了简要分析。最终通过对空泡份额模型的对比,选择了Modified Armand模型,获得了较为准确的计算结果。     

肋片对圆环通道内超临界水传热特性影响的数值分析

以计算流体力学(CFD)商业软件CFX为计算平台,对圆环通道内超临界水(SCW)的传热特性进行数值模拟。通过对几种湍流模型的对比,选取对超临界条件适用性相对较好的SST模型进行计算;比较光滑圆环通道与带肋片圆环通道内的壁温分布及传热系数的变化;研究肋片形状、高度、间距及宽度等因素对传热特性的影响。结果表明:圆环通道内肋片的存在会导致局部传热强化;在本文计算的尺寸范围内,肋片形状和宽度对传热的影响很小;一定范围内,增加肋片高度以及减小肋片间距都有利于传热强化。     

定位格架模型对子通道分析程序的影响研究

子通道分析程序只能进行简单的定位格架模型分析,对格架的考虑仅以形阻系数表示,仅能反映轴向的平均阻力效应,难以反映格架上不同角度和排布的交混翼对流场及温度场的影响,不能准确反映格架中的交混翼对局部参数的影响。本文通过选用适当的阻力经验关系式,引入交混翼几何尺寸及交混翼角度,将交混翼对流体产生的力定量地表示出来,添加至动量方程中,建立了新的交混翼分布式阻力模型,并将其耦合到ATHAS子通道分析程序中。程序经过对5×5棒束组件在不同结构下的计算,对比有交混翼和无交混翼子通道内的流场,研究不同形状、角度、排列方式的交混翼产生的效应。     

方形子通道内超临界流体流动传热CFD分析

国际上对超临界水冷堆进行了大量的研究,但对其堆芯内超临界流体流动传热特征的认识还十分欠缺.本研究采用CFX软件对典型超临界反应堆燃料组件子通道内的超临界热工水力特征进行了数值分析.研究了流动参数、边界条件和节径比(P/D)对子通道间交混现象和传热特性的影响.计算结果表明:燃料组件外围壁面子通道比内部子通道的湍流交混强烈;稠密栅格的湍流交混比宽栅格的湍流交混小.当P/D>1.2后,P/D比对湍流交混影响不再明显.研究还发现,在拟临界点附近区域,出现湍流交混系数的突变.     

子通道分析程序LINDEN的开发与初步验证

中国广东核电集团有限公司自主开发的子通道分析程序LINDEN采用基于同位网格有限差分技术的四方程漂移流模型以及面向对象的模块化编程技术。该程序具备分析计算的可靠性、稳定性。通过LINDEN和COBRA-Ⅳ程序分别对大亚湾1#、2#机组稳态工况进行了计算分析。结果表明,LINDEN程序和COBRA-Ⅳ程序的计算结果总体吻合较好,LINDEN程序可适用于大型压水堆的热工水力分析。     

超临界水冷堆CSR1000大破口失水事故分析

为了验证中国超临界水冷堆CSR1000的安全特性,评估CSR1000安全系统的性能,采用APROS程序进行了该堆型的冷段大破口失水事故分析。冷段大破口情况下,喷放阶段的显著特征是堆芯冷却剂在冷段破口喷放作用下迅速发生反向流动,热段的高温、低密度流体进入堆芯导致堆芯传热恶化,包壳温度迅速上升。自动卸压系统(ADS)阀门的启动可恢复堆芯冷却剂正向流动,有效缓解堆芯过热。高压给水箱(HFT)可提供事故早期的堆芯冷却剂供给,并为低压安注的启动提供足够的响应时间。喷放结束后,堆芯逐渐被低压安注再淹没。冷段大破口的最高包壳温度为920℃,低于安全限值(1260℃)约340℃,出现在喷放阶段。     

子通道分析软件CORTH的研发

子通道分析软件CORTH基于具有滑速比的四方程模型,适用于反应堆堆芯或加热棒束实验热工水力分析。CORTH软件的研发采用模块化设计和面向对象的编程语言,针对输入和输出特别设计了图形化的用户界面。软件通过了独立的第三方测试,检验了编码的可靠性和规范性。利用核电厂实测数据、国际基准题和AP1000额定工况对软件进行验证。结果表明,CORTH软件的计算精度较高,与国际同类软件相当,能够满足工程设计与分析需求。     

铅铋冷却快堆含绕丝燃料组件子通道程序开发与验证

由于铅铋冷却剂流动传热现象的复杂性,准确计算铅铋冷却含绕丝燃料组件的冷却剂和包壳温度是液态金属冷却快堆燃料组件热工分析的重点。本文基于集总参数法对守恒方程进行求解,开发了适用于铅铋冷却快堆的子通道分析程序,对液态铅铋在棒束燃料组件中的摩擦阻力模型、湍流交混模型和对流换热模型进行了适用性分析,并对7棒束大涡模拟和19棒束含绕丝传热实验进行了对比验证。结果表明：包壳和冷却剂温度的最大相对误差低于5%。程序能较好完成铅铋冷却含绕丝燃料组件的热工水力计算,可为铅铋冷却快堆设计提供支持。     

子通道程序与CFD程序的耦合方法研究

随着多种新型堆型的发展,堆芯设计将更加紧凑,为了保证堆芯安全,要求在设计阶段尽可能地精确计算出堆芯内热工参数分布,这就需要针对特定瞬态工况开展堆芯多尺度耦合研究。本文在已有的子通道程序COBRA-EN的基础上,采用动态链接库技术将其耦合到流体动力学程序FLUENT中,开发了适用于堆芯多尺度计算的COBRA-EN/FLUENT耦合程序。进一步通过带腔室的棒束通道算例,分别测试了稳态和瞬态情况下耦合程序的计算精度,结果显示COBRA-EN与FLUENT两者的耦合是有效且可靠的。本研究成果将为新型堆芯的设计和安全分析提供可靠的工具。     

子通道分析程序在整理临界热流密度关系式上的应用

从反应堆热工水力实验中能获得和临界热流密度有关的各平均参数，子通道分析程序提供了一种手段，把平均参数转化成为ＣＨＦ产生处的局部参数。从而可以整理出带局部参数条件的ＣＨＦ关系式。本文介绍了用ＦＬＩＣＡⅢ－Ｍ整理局部参数ＣＨＦ关系式的详细步骤。     

Spacer Effect Model for Subchannel Analysis

Mean velocity and velocity fluctuation in a test channel that consisted of five subchannels with and without ferrule-type spacer were measured using air as a working fluid, to clear turbulence intensity enhancement due to spacer. Measurements were performed at Reynolds number of 0.5–1.2×10⁵, which simulated vapor flow velocity of annular-dispersed flow in BWR condition. It was confirmed that magnitudes of velocity fluctuations in radial direction were proportional to Reynolds number and square root of friction factor downstream from a spacer. New spacer effect model to describe turbulence intensity enhancement due to the spacers was developed. In the model, dependence of the velocity fluctuation on ferrule thickness was correlated by blockage ratio. It was found that the present spacer model is applicable to prediction of turbulence intensity enhancement due to spacer.     

子通道程序SUBSC的开发及稳态验证

采用面向对象模块化编程技术开发了面向大规模热工水力计算的自主化子通道程序SUBSC,利用SUBSC和COBRA程序分别计算了典型压水堆1/4组件,结果表明,两者计算结果吻合很好。为进一步验证SUBSC程序,计算了PSBT稳态5×5棒束基准题,结果表明,在各种工况下SUBSC程序计算得到的通道平均含汽率与实验测量值吻合很好,最大相对偏差仅为0.7%,证明了程序具有较高的计算精度。为提高SUBSC程序的计算效率,引入不完全LU分解预处理的再启动GMRES算法求解质量守恒方程,对多组件的计算结果表明,SUBSC程序具备大规模热工水力计算能力。