液态金属钠在圆管内传热特性数值模拟研究

为研究液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的湍流传热特性,在已有实验研究的基础上,提出了k-ε模型下的湍流普朗特数Pr_t模型,并使用Fluent程序对圆管内的液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性进行了计算。理论设计值与已有实验结果进行对比,二者符合较好。根据本文提出的Pr_t模型,可较为精确地计算液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性。     

液态金属钠在环管中湍流传热特性研究

采用高雷诺数(Re)k-ε模型与壁面函数法对液态金属钠在环管中湍流流动传热特性进行计算,并与实验结果进行比较,结果表明计算值与实验结果符合较好。应用该方法研究湍流程度、加热条件、几何条件等因素对液态金属钠在环管中湍流传热特性的影响。研究表明,湍流程度对传热的影响主要集中在流道前半段,后半段分子扩散对传热的影响逐渐凸现出来,使不同湍流程度下传热特性的区别逐渐缩小;初始温度与加热热流密度对传热特性无明显影响;环管间隙增大,湍流传热效果增强,同等间隙时管径变化对传热特性无明显影响。     

液态金属钠在圆管中湍流传热特性研究

采用高Re k-ε模型与壁面函数法对液态金属钠在圆管中湍流传热特性进行数值计算,并与文献实验结果进行了比较,计算值与实验结果符合较好。同时应用该方法研究了湍流程度和加热条件对液态钠传热特性的影响。结果表明：湍流程度对传热的影响主要集中在流道前半段,后半段分子扩散对传热的影响逐渐凸现出来,使不同湍流程度流体传热特性的区别逐渐缩小。初始温度与热流密度对传热特性无明显影响。     

不同湍流模型对铅-铋凝固模拟的影响研究

为了研究不同湍流模型及湍流普朗特数(Pr_t)模型对模拟铅-铋凝固行为的影响，利用FLUENT对铅-铋管内流动凝固行为进行模拟研究。研究结果表明，尽管剪切应力传输(k-ω SST)模型、k-ε模型与雷诺应力(RSM)模型在模拟铅-铋传热时的差异可以忽略，但在相变过程中对温度场与压力场的模拟存在显著差异，应慎重选取湍流模型。另外对不同Pr_t模型对铅-铋的凝固行为模拟的研究表明，不同Pr_t模型对铅-铋的凝固行为模拟无明显差异。     

液态金属钠沸腾两相流动传热特性理论研究

在实验的基础上对液态金属钠沸腾两相流动传热特性进行理论研究。计算对象为环形流道。单相流动区域认为液态金属钠不可压缩;两相流动区域考虑钠蒸汽的可压缩性。两相流动区域选用均匀流模型,求解过程中采用迎风格式进行积分。将模型计算结果与相关实验数据进行对比,结果表明本文模型可用于计算液态金属钠沸腾两相流动传热特性,模型计算结果在一定程度上能完成对实验工作的拓展。     

液态铅铋合金管内流动传热特性研究

为研究液态铅铋合金的流动传热特性,建立了相应的实验台架,并开展了传热特性试验,获得了1组针对液态铅铋合金的传热关系式。同时使用Fluent程序对圆管内铅铋合金的流动换热进行了模拟计算,以研究不同湍流普朗特数模型和不同湍流模型的选取对计算结果的影响。根据计算结果,探讨了不同湍流普朗特数模型对计算结果的影响,并得到了不同Peclet数下推荐使用的物理模型。     

环形通道内液态金属钠流动换热特性实验研究

对液态金属钠在环形通道内的单相流动换热特性进行了实验研究。结合实验数据,将液态金属钠单相流动分为层流区(Re≤2 000)、过渡区(2 000Re≤4 000)及湍流区(Re4 000),分别拟合得到不同流态下摩擦系数的计算关系式,并拟合得到液态金属钠环形通道内换热特性的相应关系式。结果表明:液态金属钠单相流动特性与常规流体(如水)类似,其层流区摩擦系数略大于水,湍流区与水的很接近。液态金属钠对流换热过程中,导热项占较大份额,同时Nu随Pe的增大而略有增大。     

液态铅铋合金湍流普朗特数及RANS模型优选

工程上常采用RANS湍流模型进行热工水力相关的数值模拟,然而液态铅铋合金（LBE）具有独特的热物性,常规湍流普朗特数模型和RANS湍流模型对其流动与传热模拟的适用性有待研究。为更准确地描述绕丝燃料组件内LBE的流动与换热过程,本文基于大涡模拟对湍流普朗特数模型和RANS湍流模型进行优选。首先,采用四种湍流普朗特数模型对绕丝燃料组件内LBE的流动与传热过程进行大涡模拟,对比分析实验数据和模拟结果并进行模型优选。基于优选的湍流普朗特数模型,评价RANS湍流模型对LBE数值模拟的适用性和准确性。结果表明,Cheng湍流普朗特数模型和SST k-ω模型对LBE流动与传热模拟的准确性和适用性最高。     

环形通道内液态金属钠流动传热特性数值模拟

利用数值方法，使用商用软件ANSYS CFX，针对内径4~10 mm、外径7~20 mm的环形通道内不同边界条件下单相钠的流动和传热特性进行了研究，分析了流速、入口温度、内壁面热流密度和外壁面热流密度等对其流动传热的影响。结果表明，环形通道间隙对液态金属钠流动和传热影响较大，热流密度对其影响较小。将计算结果与文献中理论和实验结果进行了比较和分析，得出环形通道内液态金属钠的传热关系式。数值模拟结果与文献实验结果吻合较好，总体趋势符合良好。      

三角形棒束内铅铋湍流普朗特数模型研究

为准确预测低普朗特数流体在燃料组件棒束子通道内的传热特性,需选取合适的湍流普朗特数模型。针对5种不同的湍流普朗特数模型,基于三角形棒束换热关联式,研究采用剪切应力传输（Shear Stress Transfer,SST）k-ω湍流模型,分析不同的棒束子通道结构,并与液态铅铋实验验证的换热关联式计算结果进行对比,分析不同棒径与节径比条件下各种湍流普朗特数模型的适用性。分析研究结果表明,整体湍流普朗特数模型不仅与雷诺数Re、贝克莱数Pe有关,还与节径比P/D有关;在节径比1.3～1.7范围内Kays学者提出的局部湍流普朗特数模型模拟结果与Mikityuk关系式计算值较为吻合;各种湍流普朗特数模型均有最佳的节径比适用范围。因此,相关模型能够用于不同节径比条件下三角形棒束子通道内铅铋传热特性的预测。     

Boiling fragmentation of molten stainless steel and copper in sodium

Approximate measurements were made on fuel fragmentation of stainless steel/sodium and copper/sodium systems: the surface area of stainless steel increased by a factor of 260 to 3.1 and that of copper by a factor of 300 to 2.7 m²/kg. The number of particles obtained was about 10⁸ per kg fuel. The conditions were: stainless steel 1600°C, copper 1927°C, sodium 400°C at 1 bar ambient pressure (argon cover gas); no detectable pressures accompanied the interaction.A violent sodium boiling model is used for the explanation of the results. A specified number of sodium vapor bubbles grow and collapse with high frequency on the contact surface. The collapse effectively increases the fuel (=heating) surface, and an appropriate energy transfer coefficient is assumed. Contact temperatures, nucleation, bubble statistics, mechanical energy transfer, surface increase and heat transfer are coherently treated and describe the fragmentation transient. The copper surface area is calculated to increase by a factor of about 750 to 6.6 m²/kg within very short times of 1 ms or even less, the stainless steel surface by 200 to 2.4 m²/kg.     

Heat transfer and thermophysical properties of molten alkali metals

An investigation was undertaken of heat transfer to molten sodium during turbulent flow in a round copper or nickel tube. An interpolation formula was obtained. Experiments were conducted to determine thermal resistance between liquid sodium and a solid wall of copper, nickel, and stainless steel. Methods were developed for measurement of viscosity, temperature conductivity and density of molten metals. Results are given for measurements of these physical parameters for molten alkali metals (sodium, potassium, lithium and the eutectic solution of sodium and potassium) in a broad interval of temperatures.     

Recovery of Electrical Resistivity in Neutron Irradiated Uranium Monocarbides

An experimental study was performed on the heat transfer to a turbulent water film which is falling down the outside surface of a heated vertical tube. The test section was made of stainless steel tube 13 mm in outside diameter and 1,500 mm long. It was found that a nearly constant heat transfer coefficient was obtained for the lower half of the test section covering a length of about 1 m, which was direct-heated by electric current. The resulting values of the Nusselt number in this region were correlated to the Reynolds number, and the plots fell in a region intermediate between those given by Wilke and by McAdams. An analytical model taking account of the undulation on the film surface is proposed. The predictions from the model give fairly good agreement with the experimental data.     

稠密栅元内湍流流体的流动传热

本文对稠密栅元内的湍流流动和传热特性进行了分析。首先利用实验数据对计算结果进行了验证,然后分析了Re和P/D等参数对稠密栅元内的摩擦阻力系数和传热系数的影响。Re和P/D均会对稠密栅元内的流动传热特性产生显著影响,但传统的理论模型无法描述P/D对栅元内的摩擦阻力系数和传热系数的影响。P/D=1.03是一临界点,这种条件下的稠密栅元内的流动和传热是最安全的,也是最高效的。此时核反应堆的功率和系统的传热能力可同时达到最大。     

体热源沸腾池的建模及其验证

在事故保护系统和自动停堆系统失效的假设下,快堆中一大类事故可能会发展到熔融池和沸腾池阶段,此阶段的特征是:液态钢和液态燃料为池内主要成分,以燃料的裂变热为体热源,整个池子被附着在冷壁面上的UO2固化壳包裹,当其中钢的温度超过沸点时,便开始沸腾。建立了一个半经验模型来描述体热源沸腾池的行为。模型中,用漂移速度模型来预测空泡份额分布,用修正后的Greene关系式计算平均传热系数并在此基础上根据实验结果确定局部传热系数,用焓方法求解包裹沸腾池的固化壳的温度场及厚度。对SCARABEE BF2实验(单组分UO2沸腾池)及BE+2(UO2 钢混合沸腾池)进行了模拟计算,计算结果与实验结果基本吻合。     

摇摆条件下子通道内湍流流体的数值分析

利用FLUENT软件分析了摇摆条件对典型四棒束间的湍流流体流动和传热特性的影响机理。摇摆运动会对棒束间流体的流动传热特性产生一定影响。RSM模型可以很好地描述摇摆条件下子通道内的参数分布。摇摆周期变化带来的径向附加力的变化不会对摩擦阻力系数、传热系数和Reynolds应力产生影响。在摇摆条件下,摩擦阻力系数、传热系数和Reynolds应力呈周期性变化,但最大摩擦阻力系数所在时刻并不固定,而最大传热系数却始终是在流速最大的时刻。     

基于四方程模型的LBE环管湍流换热数值研究

为计算液态铅铋（LBE）在环管内不同加热环境下的湍流换热,基于开源计算流体力学程序OpenFOAM开发了四方程模型求解器4eqnFoam。将LBE在平板和圆管内的预测结果与直接数值模拟结果和实验结果进行对比,验证了求解器的有效性。基于该求解器,分别计算了LBE在外壁绝热内壁加热以及内外壁面等热流加热环管内不同雷诺数下的湍流换热量。结果表明：随着雷诺数的增加,两种加热条件下的无量纲温度脉动、雷诺热流、湍流热扩散作用增大,而平均湍流普朗特数减小;当雷诺数增加到一定程度时,平均湍流普朗特数变化不明显。基于4eqnFoam求解器,可为计算LBE热工水力现象提供更多参考。     

摇摆条件下典型通道间湍流的流动传热特性

利用Fluent软件分析了摇摆条件对典型四棒束间的湍流流体流动和传热特性的影响机理。摇摆运动会对棒束间流体的流动传热特性产生一定影响,但不会对绝热通道与加热通道内流体流动相似性产生影响。而当摇摆幅度较大时,径向附加力会使通道横截面上的参数分布发生显著的变化,进而影响流体的流动与传热特性。在摇摆条件下,随着P/D（棒间距/棒直径）的逐渐减小,尤其是小于1.1时,典型棒束间流体的流动传热特性发生明显变化。