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。     

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。      

脉动流下棒束通道内相位差及瞬态流场研究

事故条件及海洋条件下反应堆处于非稳态工况,堆芯燃料组件内热工水力行为具有瞬变及多因素耦合特性,对反应堆的安全提出更高挑战,因此有必要对燃料组件内瞬态特性进行研究。本文通过测量棒状燃料组件内压降和流量之间延迟时间开展棒束通道脉动流条件下相位差研究,对比了相位差在不同振幅、不同流动状态下的变化特性,并分析了定位格架对脉动流相位差的作用特点。另外,基于粒子图像测速（PIV）技术开展了脉动流条件下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,分析了主流具备不同加速度时棒束通道内流场分布特征。实验结果表明：定位格架可减小脉动流下棒束通道内相位差;棒束通道内流场演化滞后于主流量变化。实验结果有助于揭示燃料组件在非稳态条件下瞬态特性,并为燃料组件的设计和优化奠定基础。     

脉动流下棒束通道内相位差及瞬态流场研究

事故条件及海洋条件下反应堆处于非稳态工况,堆芯燃料组件内热工水力行为具有瞬变及多因素耦合特性,对反应堆的安全提出更高挑战,因此有必要对燃料组件内瞬态特性进行研究。本文通过测量棒状燃料组件内压降和流量之间延迟时间开展棒束通道脉动流条件下相位差研究,对比了相位差在不同振幅、不同流动状态下的变化特性,并分析了定位格架对脉动流相位差的作用特点。另外,基于粒子图像测速(PIV)技术开展了脉动流条件下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,分析了主流具备不同加速度时棒束通道内流场分布特征。实验结果表明:定位格架可减小脉动流下棒束通道内相位差;棒束通道内流场演化滞后于主流量变化。实验结果有助于揭示燃料组件在非稳态条件下瞬态特性,并为燃料组件的设计和优化奠定基础。     

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...     

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     

基于图像算法的棒束通道流动交混研究

反应堆燃料组件内冷却剂流动特性是反应堆热工安全分析重要内容,本文针对带定位格架的棒束通道内可视化实验图像数据,基于图像算法对棒束通道内流动交混现象进行了定性与定量的分析,为堆芯热工水力及安全分析提供参考。从数据验证、规律总结、机理分析3个层面上提出了图像处理方法,并采用这些方法对棒束通道内实验数据进行了分析,分析结果表明:定位格架下游流体的流动交混在5 cm开始逐渐缓和;Canny算子适用于定位格架湍流图形的边缘识别。     

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。     

5×5花瓣形燃料棒束组件内单相流动与换热特性数值模拟研究

相较于传统圆柱形燃料棒,花瓣形燃料棒具有安全裕量高等优点,研究其在压水堆运行工况下的热工水力特性具有重要意义。本文通过STAR-CCM+对5×5花瓣形燃料棒束组件进行数值模拟研究,计算并分析了组件内二次流速度、温度、换热系数等关键热工参数,获得了入口流速、螺旋节距对组件内部流动与换热特性的影响规律。计算结果表明：花瓣形燃料棒的螺旋结构可增强冷却剂的横向流动,同一高度上燃料棒表面温度分布具有周期性,增大入口流速可增强燃料棒的表面换热,消除温度分布的不均匀性。此外,螺旋节距大于750 mm,燃料棒换热性能与无扭转的燃料棒相差不大,甚至更低。     

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。     

基于流固热耦合的燃料元件包壳结构完整性分析

反应堆系统发生瞬态工况时,冷却剂温度的瞬间大幅度变化会对燃料元件包壳结构完整性造成冲击,危及反应堆安全。本文以某压水堆3×3燃料组件为对象,采用流固热耦合方法对冷水事故下燃料组件的流动换热特性和燃料元件包壳温度、变形及应力进行了三维精细化模拟。结果表明:定位格架能够增强燃料棒表面的对流换热强度;包壳变形时向与刚凸接触的一侧折弯,向与弹簧接触的一侧凸起;包壳与定位格架接触部位的温度和最大等效应力随事故时间不断增大,且最大等效应力超过了包壳材料的屈服强度,将发生强度失效,影响其结构完整性。本文研究可为反应堆燃料元件包壳瞬态工况下的完整性评价提供借鉴。      

数值反应堆堆芯通道级三维热工水力程序CorTAF开发及初步验证

堆芯是核动力系统的核心部件,其完整性是反应堆安全运行的重要前提。传统核反应堆堆芯热工水力分析方法无法满足未来先进核动力系统的高精度模拟需求。本文依托开源CFD平台OpenFOAM,针对压水堆堆芯棒束结构特点建立了冷却剂流动换热模型、燃料棒导热模型和耦合换热模型,开发了一套基于有限体积法的压水堆全堆芯通道级热工水力特性分析程序CorTAF。选取GE3×3、Weiss和PNL2×6燃料组件流动换热实验开展模型验证,计算结果与实验数据基本符合,表明该程序适用于棒束燃料组件内冷却剂流动换热特性预测。本工作对压水堆堆芯安全分析工具开发具有参考和借鉴意义。     

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。     

带格架5×5燃料棒束流致振动特性数值研究

核反应堆中,流动的冷却剂轴向冲刷燃料棒可能导致其振动,产生微动磨损,对整个核电厂的安全性以及经济性有重要影响。带格架棒束流致振动特性的研究是微动磨损研究的基础。本文基于欧拉-伯努利（Euler-Bernoulli）梁理论,采用动网格技术,通过Fluent实现流固耦合数值计算,并与不考虑振动耦合时的流场分布进行比较分析。重点分析了湍流强度、轴向速度等主要流体参数对振动位移均方根的影响,以及轴向流中流致振动机理。结果表明：燃料棒的振动位移均方根随着流速的增大而增大;燃料棒径向两侧的压力脉动是造成振动的因素之一;定位格架改变了较大振动出现的位置,明显加强了振动响应。     

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。      

Temperature Field Distribution Characteristics in Rod Bundle Channel

Visualized experimental techniques are increasingly used in the measurement of nuclear reactor system parameters. Based on the characteristics of laser induced fluorescence (LIF) technique, the difficulties and solutions of the LIF technique were introduced in this paper. And the temperature distributions downstream of spacer grid in rod bundle channel under the steady flow and pulsating flow were analyzed. The results show that the application range and measurement accuracy of LIF technique can be improved by studying the optical properties and dye characteristics. At the same time, post-processing technology can be used to obtain more accurate temperature field distribution. The full-field temperature distributions downstream of spacer grid in rod bundle channel under steady flow and fluctuating flow conditions were obtained. Spacer grid can significantly enhance flow mixing and improve heat exchange capacity. Temperature distribution is also affected by fluctuations in velocity. In summary, the LIF technique can achieve the full-field measurement of the temperature distribution in the rod bundle channel. According to the temperature distribution characteristics, the performance of the spacer grid can be evaluated.     

棒束通道内温度场分布特性研究

可视化实验技术越来越多地被应用于核反应堆系统参数的测量,本文基于激光诱导荧光（LIF）技术的特点,介绍该技术的难点和解决方案,并对棒束通道定位格架下游稳态流和脉动流下温度分布进行了研究。结果显示,通过对系统光学特性和染色剂特性研究,可提高LIF技术的应用范围和测量精度。同时采用后处理技术,可获得更准确的温度场分布。通过对棒束通道定位格架下游全场温度进行测量,获得了稳态流和脉动流两种工况下温度的分布。定位格架能显著增强下游的流动搅混,提高换热能力。流速的波动也会对温度分布产生显著影响。研究表明,LIF技术可实现对棒束通道内流体温度分布的全场测量,根据温度分布特性研究可实现对定位格架性能的评价。