反应堆棒束通道搅混翼数值研究

定位格架上的搅混翼是核反应堆燃料组件中的关键部件,其性能对棒束通道热工水力特性有重要的影响。以带单层定位格架的5×5棒束为研究对象,对搅混翼排布方式及末端形状对格架下游的流场和温度场的影响进行数值模拟研究。计算结果表明,改变搅混翼的排布方式,压降几乎不受影响,但格架下游流场和传热情况却因排布方式的改变而发生显著变化;将搅混翼末端形状改为弧形,压降较典型撕裂型搅混翼没有明显差异,但换热情况得到明显改善。      

棒束通道内定位格架搅混特性PIV可视化研究

定位格架作为燃料组件中重要的组成部件之一,不仅在结构上固定燃料棒,而且在燃料组件内热工水力性能同样显著,特别是对工质的搅混性能直接关系到反应堆的经济性和安全性,因此有必要对燃料组件内定位格架搅混特性进行研究。本文通过粒子图像测速（PIV）技术开展了棒束通道内定位格架上下游流场的可视化研究,对比了有无格架棒束通道内流场的分布特征,定量分析了定位格架对棒束通道流场搅混的贡献。对不同流速下定位格架下游横纵速度的沿程变化特性进行研究,发现了不同流速作用下定位格架对横向、轴向速度的促进和抑制规律。另外,通过速度均方根对下游的湍流特性进行了评估。实验结果可为数值计算提供全场的数据验证,并可为定位格架设计和优化提供基础。     

压水堆燃料棒束通道内过冷沸腾分析

使用Fluent14.5两流体模型中的RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)壁面沸腾模型,对堆芯燃料棒束通道内过冷沸腾现象进行数值模拟,得到了通道内的流场、温度场以及空泡份额的分布,分析了定位格架和搅混翼的存在对热工水力特性的影响。数值结果表明,格架的存在会造成很大的压降,而搅混翼会对流场、温度场和空泡份额分布产生显著影响;RPI壁面沸腾模型的模拟结果与Bartolemei试验数据符合很好。     

两种搅混翼格架CFD数值模拟及其协同场分析

通过Hollway的实验结果对格架计算流体力学(CFD)分析模型进行校验,在此基础上开展了两组分别具有分开式和撕裂式搅混翼的5?5格架棒束通道CFD模拟分析。引入场协同理论对两组CFD模拟结果进一步分析,结果表明:协同角的场分布特性可以很好地解释搅混翼对燃料组件强化换热的作用机理。如果不考虑搅混翼所带来的压降损失大小,撕裂式搅混翼比分开式具有更好的强化换热效果;分开式搅混翼的折弯角增加不会显著改善换热特性,而且角度过大时换热特性有下降的趋势。     

带MVG和MSMG的5×5全长棒束单相流场和温度行为数值分析

定位格架作为燃料组件的关键部件之一,直接影响到燃料组件的热工性能。本文对带结构格架(MVG)和跨间搅混格架(MSMG)的5×5全长加热棒束单相流场和温度场采用计算流体力学(CFD)程序进行数值分析研究,获得该特征棒束组件出口二次流场以及温度场分布特性。研究表明,定位格架下游流场受定位格架和距离的影响,定位格架上游流场对下游二次流几乎无影响,定位格架导致流体强烈的横向二次流,增强了流体和加热棒之间的换热能力,使得棒束子通道截面流体温度更加均匀。与5×5全长棒束出口子通道温度的实验数据对比分析表明,获得的计算模型可以较好地分析该型棒束组件结构温度场行为。     

湍流模型对5×5格架棒束通道流动传热数值模拟影响分析

同一软件工具采用不同湍流模型进行燃料组件格架棒束通道CFD分析时会得到不同的数值结果,本文采用ANSYS CFX软件,建立了包含典型5×5格架的棒束通道CFD模型,研究了涡粘和雷诺应力两大类6种典型湍流模型对燃料组件压降与换热特性数值结果的影响,计算了压降和Nu分布结果与相似的实验结果进行对比,通过分析3个典型搅混效果评价因子,探讨了搅混翼流动与换热的内在影响关系,同时对比了不同湍流模型对结果的影响。通过与相似实验数据对比分析,认为雷诺应力模型较适宜计算本文所研究的定位格架及棒束通道内流动传热特性。     

5×5定位格架棒束通道阻力特性研究

采用数值方法对5×5定位格架棒束通道的阻力特性进行研究。采用常用的减小弹簧、刚凸高度,使其与燃料棒间留有微小间隙的方式对格架进行几何建模,发现计算得到局部阻力系数明显小于实验值,分析原因并参考面接触的思路,提出改进的格架几何模型,并采用不同湍流模型进行数值模拟,得出SST模型计算的结果与试验值符合很好。利用改进的模型研究搅混翼及其他部件的阻力特性,发现搅混翼在格架局部阻力系数中所占的比重很小,但其引发的横向流使格架下游的摩擦阻力增加。     

定位格架新型搅混翼设计研究

定位格架是影响燃料组件热工水力性能的重要部件,其搅混翼对流体存在搅混作用。本文主要针对定位格架搅混翼对流体的搅混作用,采用计算流体力学(CFD)方法研究子通道内部及子通道之间流动搅混较为薄弱的环节。研究表明,增大搅混翼外形尺寸能增强格架的搅混能力,带辅翼的新型搅混翼设计能有效弥补主翼对流动搅混的不对称性,增强格架子通道内部的涡旋搅混能力,优化布置的辅翼形式,不过多减弱子通道之间的横向流搅混作用,且有利于搅混效果的沿程发展,同时还兼顾考虑了由此带来的格架压降增大。     

冷却剂与含格架燃料棒束多场耦合分析

燃料棒束作为压水堆燃料组件的组成部分,其热工和结构特性直接关系到反应堆的安全。本文利用ANSYS WORKBENCH软件分析了冷却剂在5×5含定位格架燃料棒束通道内流动的分布,采用冷却剂与燃料棒束多场耦合的方式研究了燃料棒束的流动传热特性和结构形变特性。结果表明：定位格架扰动冷却剂形成横向二次流并在下游棒束间形成绕流;多场耦合条件下二次流峰值速度和平均速度均小于单流场的;二次流与燃料棒的热应力使棒束发生形变,功率和流动分布的不均匀导致形变在轴向和径向的不均匀;相较于无格架情况,定位格架的存在使冷却剂的搅混流动更加明显,冷却剂对燃料棒冲击增大;在有、无定位格架两种情况下棒束形变均很小,可保持原本结构的稳定。     

棒束燃料组件横流的远心PIV测量方法

压水堆棒束燃料组件通常在定位格架上设有搅混翼片,以促进横向搅混。因而,定位格架下游的横流是评判格架性能的重要依据。针对定位格架下游横流可视化测量的挑战,为粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)系统设计了远心光路,有效地降低了图像的畸变。此外,针对粒子图像测速对光强均匀度的要求,在测量区域采用了氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated Ethylene Propylene,FEP)管作为实验工质水的折射率补偿材料,消除了由于固体材料折射率过大导致的类似凸透镜的聚光效果。通过标定实验及流场测量实验证明,该测量方法能够获取5×5棒束格架下游完整截面的横向流速及漩涡结构。实验观测发现:在5Dh位置翼片搅混导致的横向流场依然很强烈,其强度会随着距离的增加而逐渐减弱。     

冷却剂与含格架燃料棒束多场耦合分析

燃料棒束作为压水堆燃料组件的组成部分,其热工和结构特性直接关系到反应堆的安全。本文利用ANSYS WORKBENCH软件分析了冷却剂在5×5含定位格架燃料棒束通道内流动的分布,采用冷却剂与燃料棒束多场耦合的方式研究了燃料棒束的流动传热特性和结构形变特性。结果表明:定位格架扰动冷却剂形成横向二次流并在下游棒束间形成绕流;多场耦合条件下二次流峰值速度和平均速度均小于单流场的;二次流与燃料棒的热应力使棒束发生形变,功率和流动分布的不均匀导致形变在轴向和径向的不均匀;相较于无格架情况,定位格架的存在使冷却剂的搅混流动更加明显,冷却剂对燃料棒冲击增大;在有、无定位格架两种情况下棒束形变均很小,可保持原本结构的稳定。     

十字焊点对定位格架水力特性影响的数值研究

作为定位格架重要的结构特征之一,其内条带间的十字焊点的形状与定位格架的强度及水力特性密切相关。为深入研究该十字焊点形状对定位格架水力特性的影响规律,以5×5燃料组件定位格架为研究对象,采用ANSYS CFX12.1对燃料棒束通道内的流动现象进行数值模拟研究,得到了通道内的流场分布。研究结果表明:增加十字焊点直径能削弱格架下游近格架区域子通道内冷却剂的涡流强度以及子通道间的搅混强度,同时增强格架下游远格架区域子通道内的涡流强度以及子通道间搅混强度;增加十字焊点直径对格架下游子通道内的搅混强度影响较小;定位格架的形状阻力系数随十字焊点直径的增大而增加。以上结果说明采用较大直径的十字焊点可使定位格架下游区域的换热能力趋于均衡,从而使堆芯温度分布更加均匀,但同时也会产生较大的压力损失。     

均匀加热全长棒束过冷沸腾工况子通道参数场计算分析

采用壁面热分配模型对PSBT基准题中的5×5均匀加热全长棒束过冷沸腾传热进行了数值模拟研究,分析了均匀加热全长棒束通道中不同子通道和加热元件表面参数沿轴向的发展过程和径向的分布特性。研究发现,角通道和边通道是弱对流区域,其质量流速低于棒束平均值,但由于冷棒功率偏低,消除了流动不均衡性对传热效果的影响。在棒束径向方向,不同位置子通道间参数场存在差异,这是由于位于搅混格架横向导流对角方向的通道具有更有效的通道间对流效果,其传热效果更好。这种流动特性引起的参数差异在角通道中尤为显著。热棒表面过热度明显高于冷棒过热度,且位于非搅混格架横向导流方向的热棒具有更高的壁面过热度。     

激光诱导荧光技术对棒束通道内定位格架搅浑特性研究

基于激光诱导荧光（LIF）技术开展了5×5棒束通道内定位格架搅浑特性的可视化研究。常温常压下,通过示踪染色剂（RhB）浓度分布表征流体微团的搅浑行为,清晰展现染色剂溶液在定位格架作用下的搅浑扩散过程,获取格架下游流场的搅浑信息。采用自验证方法分析验证LIF技术测量的准确性,重构棒束通道内径向与轴向染色剂浓度分布,对比带定位格架与不带定位格架的实验结果,得到定位格架对其下游流场的影响范围及不同棒束子通道所受搅浑程度的差异,并以变异系数量化格架对流场搅浑性能的强弱。实验结果表明：定位格架能快速搅浑流动工质,其搅浑翼片分布形式的差异是造成不同子通道交叉搅浑强弱及各向异性的主要原因。本实验工况（Re＝10 478）下,格架对其下游流场的作用范围约为8倍当量直径(D_h),流动工质在格架下游5D_h附近所受搅浑最为剧烈。     

搅混翼定位格架排布方式对5×5棒束通道热工水力特性影响的CFD研究

为探究棒束通道定位格架的最优排布方式，本文采用计算流体动力学（CFD）方法对包含3个格架部件的5×5棒束通道进行流场和温度场的数值仿真，研究格架轴向间距以及格架相对转角对通道阻力和传热特性的影响，并从对流传热的角度分析造成不同结果的原因。研究表明，在本文设计的计算工况下，改变格架轴向间距对棒束阻力和传热特性的影响较小；将中间格架在横截面内相对两端格架旋转90°放置能够有效降低横截面温度分布的不均匀性，减小横截面最高温度。     

定位格架搅混翼附近气泡运动特性可视化实验研究

针对3×3棒束采用可视化实验技术研究棒束通道内气-液两相流动过程,获得了定位格架搅混翼附近的气泡行为特性。通过实验发现在搅混翼背流面存在气泡滞留的现象。在稳定工况下,滞留气泡的高度基本不变,滞留气泡相界面在流动、来流气泡合并过程中存在波动,并在液相的夹带下从滞留气泡末端分裂成多个小气泡。滞留气泡末端被液相夹带分裂是棒束通道中气泡尺寸变化的主要原因之一,并且分裂后的气泡尺寸小于来流气泡尺寸。在相同空泡份额条件下,随着液相流量的增加,滞留气泡高度增加,从滞留气泡上分裂的气泡尺寸相比来流气泡减小、数量增加;在相同液相流量条件下,随着空泡份额的增加,滞留气泡大小基本不变。来流气泡尺寸影响滞留气泡相界面的波动幅度,同时搅混翼背面存在滞留气泡时,气泡从搅混翼迎流面和背流面经过搅混翼时,在下游具有不同的运动特性,导致格架下游子通道间相态分布的差异性。     

棒束定位格架空泡份额分布特性实验研究

带定位格架棒束通道内的空泡份额分布特性是反应堆热工水力特性研究的重要内容。对AFA 2G3× 3定位格架组成的棒束通道在空气 水两相流动工况下用RBI光学探针测得了通道内的横向空泡份额分布 ,分析了其横向分布的一般规律。结果表明 ,定位格架结构 ,特别是交混叶片对定位格架附近区域两相流动和空泡份额分布特性有重要影响 ,从而为进一步研究棒束定位格架加热工况下两相流动特性 ,发展新型高热工水力性能燃料组件打下基础     

棒束通道定位格架沸腾临界特性数值研究

为研究核反应堆中定位格架及搅混翼对沸腾临界现象产生的影响,本文采用计算流体动力学（CFD）分析方法,探讨了棒束通道中定位格架的数目、位置和搅混翼的角度对于沸腾临界现象的影响。结果表明:定位格架会对主流流动产生阻力,同时定位格架数目越多,沸腾临界发生的温度也越高,但将定位格架布置在沸腾临界发生位置时,则可有效改善壁面传热环境并降低沸腾临界发生时的峰值温度。搅混翼的存在则会有效降低加热面附近空泡份额,改善传热环境,但搅混翼角度过大时会导致沸腾临界提前发生。      

5×5棒束通道中简单支撑格架对流动过冷沸腾传热的影响分析

采用壁面热分配模型(即RPI模型)对PSBT基准题中的5×5均匀加热全长棒束过冷沸腾传热进行了数值模拟研究。重点分析了加热段末端搅混格架（MVG）下游简单支撑格架（SSG）对棒束通道内流动过冷沸腾传热特性的影响。在水力特性方面,研究发现SSG的形阻压降约为MVG的53%,且对棒束通道内的横向流动具有显著抑制作用。为反映SSG对搅混过程的影响,采用子通道平均横流速度比沿轴向的发展过程对其进行了分析。分析发现,在SSG附近横流速度比迅速衰减,衰减后的横流速度比与光棒束时的大小相当。由于SSG对横流过程的破坏,改变了发热表面的传热特性,在其下游气相迅速包覆加热表面,蒸发热流密度较无SSG情况偏高5%,加热段末端空泡份额偏高0.006,壁面过热度偏高0.3 ℃。     

定位格架压降关系式及CFD数值模拟研究

现有格架压降经验关系式中缺少对格架本身结构的描述,导致压降估计不准确。为准确估计格架的压力损失,利用商用计算流体动力学(CFD)软件,从基础研究的角度出发,分别探索刚凸位置、搅混翼排列的边距以及子通道间的互相搅混等对压降及下游流场的影响。在拟合格架压降经验关系式时,需要加入更多的描述格架自身结构的几何参数。在格架设计中要根据不同的格架设计目标和设计功能,针对性地优化刚凸位置、搅混翼排列及子通道的之间的互相搅混。