基于流固共轭传热的两相流动数值模拟及燃料子通道CHF预测研究

为对过冷沸腾两相流动进行准确模拟,并探索临界热流密度(CHF)预测方法,本文基于共轭传热和两相CFD分析的方法,通过流固界面耦合,建立流固共轭传热两相流动耦合求解的数值模型。首先通过典型燃料棒栅元过冷沸腾两相流动的模拟,验证数值模型的正确性。随后对燃料子通道内两相流动进行模拟,并在两相流动模拟的基础上,通过准瞬态的方法,建立与CHF试验过程非常近似的CHF预测方法,将加热壁面的温度飞升作为CHF判定的标准,实现对燃料组件子通道CHF的数值预测。研究表明,本文建立的数值模拟方法,可为燃料组件或其他换热系统的CHF预测奠定基础,为燃料组件的设计提供新的辅助手段。     

高压条件下燃料组件内过冷沸腾过程传热不均匀性研究

基于流体动力学软件Fluent中的流体体积函数（VOF）两相流模型,通过编写用户自定义函数（UDF）程序添加控制方程源项,建立过冷沸腾模型,对压水堆带定位格架的5×5燃料组件棒束通道内的过冷沸腾现象进行数值模拟。根据模拟结果,从空泡份额、燃料棒周向传热方面对比分析各个子通道内传热特性。研究发现各子通道内空泡份额的分布不均匀性较大,同样加热条件下,边通道的沸腾程度高于角通道。此外,对棒束周向的传热特性进行了分析,燃料棒周向努塞尔数呈不均匀性分布,燃料棒0°、90°、180°、270°等方向附近的传热能力较强,其相应的横向速度较大,对应的沸腾程度较强。      

沸腾传热数值模拟方法及多管耦合应用特性研究

针对直流蒸汽发生器（OTSG）中全流型沸腾传热及一、二次侧耦合换热等复杂物理现象,计算流体动力学（CFD）数值分析普遍面临计算难度大、计算效率低及不确定性大等问题。基于欧拉两流体多相流模型与临界热流密度（CHF）壁面沸腾模型,建立了管内全流型流动沸腾传热数值分析模型,并验证了模型的有效性。基于所验证的模型,开展了数值模型在多管耦合传热下的应用特性研究,明确了该数值模拟方法在多管耦合下的可靠性,并对温度与相分布计算结果对相间作用力模型的敏感性进行了数值分析。研究结果表明：基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型,能够较准确地预测管内水介质由过冷到过热的全流型流动沸腾传热过程,计算的“干涸”点位置及壁面峰值温度与实验值符合较好,最大误差小于10%;基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型的数值方法对多管耦合工况有较好的适用性,计算的二次侧温度与实验结果吻合良好;两相间曳力对壁面温度及空泡份额的计算结果有较明显的影响,但非曳力对壁面温度的影响较小,因此对于大规模工程应用计算,可在分析中不考虑部分相间非曳力的影响。本文研究结果可为OSTG的三维精细化数值分析的模型选择提供有益参考。     

基于两流体模型的流动沸腾瞬态数值模拟程序

基于两流体模型与固壁非稳态导热模型,结合相关关联式组合,建立了流道内流动沸腾传热的瞬态数值模拟程序。通过不同入口瞬态下流道两相流动沸腾过程的算例计算分析,确认了程序进行流动沸腾瞬态模拟的能力。通过对不同固壁加热条件下流动沸腾行为的算例计算,检验了该程序进行流壁耦合行为模拟的功能。程序可进一步向系统分析程序和子通道程序发展。     

竖直窄矩形通道内过冷沸腾传热模型

通过引入池式沸腾-流动沸腾汽泡脱离直径比对沸腾抑制因子S进行了修正,并将修正后的S引入Lee-Mudawwar过冷沸腾CHF模型,通过结合竖直窄矩形通道内的汽泡行为进行分析,建立了适应于竖直窄矩形通道的过冷流动沸腾传热模型,探讨了影响过冷沸腾传热系数的主要因素,并通过将模型预测值与实验值进行对比,验证了模型的可靠,表明当前模型可用于计算竖直窄矩形通道内的过冷沸腾传热特性。     

基于气泡动力学的过冷流动沸腾边界层模型研究

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。过冷流动沸腾起始于ONB点,结束于Tsat点,中间被OSV点划分为高过冷流动沸腾段和低过冷流动沸腾段,不同阶段流场情况以及气泡行为存在较大区别。目前关于过冷流动沸腾过程的研究主要基于宏观实验、理论研究和数值模拟,随着气泡动力学的发展,从微观层面揭示沸腾机理变得可行。本文基于气泡动力学和气泡边界层模型,提出了一套预测过冷流动沸腾的理论模型,采用分相模型,将流场在径向上划分为多个区域,通过1组准二维控制方程,将各区域内的气泡行为,区域间的质量、动量和能量交换以及两相参数沿轴向的变化情况考虑在内,利用获得的边界层流场信息,可确定ONB点和OSV点。模型与空泡份额和流体温度的实验结果符合良好,并成功应用于核反应堆燃料元件通道的过冷流动沸腾计算。     

基于气泡动力学的过冷流动沸腾边界层模型研究

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。过冷流动沸腾起始于ONB点,结束于Tsat点,中间被OSV点划分为高过冷流动沸腾段和低过冷流动沸腾段,不同阶段流场情况以及气泡行为存在较大区别。目前关于过冷流动沸腾过程的研究主要基于宏观实验、理论研究和数值模拟,随着气泡动力学的发展,从微观层面揭示沸腾机理变得可行。本文基于气泡动力学和气泡边界层模型,提出了一套预测过冷流动沸腾的理论模型,采用分相模型,将流场在径向上划分为多个区域,通过1组准二维控制方程,将各区域内的气泡行为,区域间的质量、动量和能量交换以及两相参数沿轴向的变化情况考虑在内,利用获得的边界层流场信息,可确定ONB点和OSV点。模型与空泡份额和流体温度的实验结果符合良好,并成功应用于核反应堆燃料元件通道的过冷流动沸腾计算。     

钠冷快堆单个燃料组件冷却剂沸腾的数值模拟

在正常功率下快堆单个燃料组件的瞬间完全堵流可能会产生相当严重的后果 ,对其后续事故序列及其潜在的破坏能力进行预测是必要的。对模拟这种现象的SCARABEEBE +1实验在包壳流动之前的阶段进行了数值模拟。程序中采用了两流体、六方程模型来描述沸腾及两相流动 ,应用子通道方法来对基本方程进行离散化 ,以半隐数值方法进行了求解。计算结果与实验观测相吻合 ,这表明该程序可以比较准确地预测单个燃料组件在瞬间完全堵流之后 ,包壳流动之前的行为。     

CARR堆芯热组件自然循环条件下特性分析

本文建立了中国先进研究堆标准燃料组件单组件的流-固耦合共轭传热CFD分析模型。通过1组稳态流量工况的分析,拟合获得燃料组件的阻力特性曲线。在堆本体CFD分析模型强迫流动工况计算结果的基础上,开展了标准燃料组件自然循环数值模拟分析。计算结果表明,在设定工况下,不仅释热能安全载出,而且可保证热组件任何位置均不会发生冷却剂泡核沸腾和流动不稳定性。计算得到了自然循环建立过程组件内冷却剂温度、燃料包壳和芯体的温度分布、热点位置以及循环流量的变化规律,为研究热组件的瞬态热工水力特性提供了理论方法和参考数据。     

竖直窄缝水工质常压过冷沸腾流动与传热分析

以去离子水为工质,对常压下竖直窄缝通道内过冷沸腾流动与换热规律进行实验和数值模拟研究。对壁面气泡核化特点进行可视化实验分析,建立2 mm窄缝通道的壁面核化沸腾模型,包括:汽化核心密度、气泡脱离直径和气泡脱离频率关联式。以两流体模型为基础,结合壁面热量分配伦斯勒理工学院(RPI)模型以及壁面核化沸腾模型,建立竖直窄缝通道内过冷沸腾流动传热计算流体动力学(CFD)数值模型,对典型实验工况进行模拟分析,并与实验结果进行对比,两者吻合良好。     

HFE-7100工质稳态临界沸腾传热实验研究

池沸腾临界热通量是沸腾相变传热的重要参数,决定了相变换热器件的推广应用。表面粗糙度和饱和压力对沸腾传热边界层分布、表面铺展润湿及工质动力学特性具有重要影响,进而对临界热通量作用显著。本文对HFE-7100工质在4种不同粗糙度的铜基表面（0.019、0.205、0.311和0.587 μm）条件及在不同饱和压力（0.07、0.10、0.15及0.20 MPa）工况下的池沸腾稳态临界状态下的传热及可视化实验进行了研究。对表面粗糙度及饱和压力对稳态临界沸腾的影响机制进行了分析,并考察了临界热通量预测模型对临界热通量的预测准确性。可视化研究表明,临界状态下的沸腾气液两相工质由小气泡、大气泡、气柱及蘑菇状气团组成,而在过渡状态下,沸腾表面会形成非平滑气膜,并不断分离出气泡。同时传热数据表明,表面粗糙度及饱和压力的增加能使表面临界热通量得到提升。相比而言,Bailey等建立的临界热通量预测模型能相对准确地预测HFE-7100工质沸腾临界热通量数据。为进一步提升预测准确度,建立了临界热通量无因次参数K预测经验关联式,其预测值与本实验及文献实验数据吻合较好。     

低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性

为探究低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性,开展本实验研究。通过分析实验中采集的热工参数和可视化图像,探究了沸腾滞后现象、沸腾失稳现象以及沸腾换热特性。实验发现沸腾起始点壁面过热度较高,而沸腾的发生大幅提高了换热系数,因此出现了显著的沸腾滞后现象。实验中较为光滑的加热面可达到较高的过热度,而低压下快速产生的气泡尺寸较大,在较低的热流密度下气液界面发生剧烈变化,使气泡破裂为多个小气泡并成为核化点。在过冷沸腾换热系数的预测中,Dittus-Boelter对流换热关系式不再适用,采用Hallman关系式和Gnielinski关系式计算对流换热系数,并引入壁面过热度对池式沸腾换热系数进行修正,可使过冷沸腾换热系数的预测精度大幅提高。     

Analysis of critical heat flux during subcooled boiling for finned fuel elements

Experimental and analytical studies were performed to determine the critical heat flux (CHF) during subcooled boiling on finned fuel elements. Tests were conducted in a vertical, concentric-annulus test section consisting of a glass tube containing a finned heater element with either six, eight, or ten longitudinal fins. The phenomena leading to CHF are described and the parametric trends are discussed.A two-dimensional finite-element heat transfer model using the Galerkin method was used to analyse the experimental data to obtain CHF values. A dimensionless correlation was derived to predict the CHF values during subcooled boiling. Over 90% of the predicted CHF values agreed with those obtained from the two-dimensional analysis within ±30%.     

近临界压力区垂直内螺纹管临界热流密度实验研究

在近临界压力区,对垂直上升内螺纹管流动沸腾的偏离泡核沸腾(DNB)型临界热流密度(CHF)现象进行了实验研究。试验段采用ф35 mm×5.67 mm六头内螺纹管。实验参数范围为:压力18~21 MPa,质量流速500~1 000kg/(m~2·s),进口过冷度3~5℃,内壁热负荷40~960kW/m~2。实验得到了不同工况下的内壁温度和传热系数分布特性,分析了流动参数对内螺纹管中DNB型CHF的影响,并根据实验数据拟合出两相区的传热关联式与临界热流密度(qCHF)预测关联式。内螺纹管的qCHF实验数据被用于与光管的qCHF预测值进行对比,发现内螺纹管具有一定的CHF强化作用,但当压力越靠近临界压力时这种作用会被抑制甚至消失。实验结果表明:在近临界压力下,内螺纹管会在低干度区甚至过冷区发生DNB现象,压力的增大和质量流速的减小均会使DNB提前发生。qCHF随压力的减小和质量流速的增大而增大。在特定工况下,试验段不同截面会分别发生偏离泡核沸腾与蒸干。     

纳米流体饱和池沸腾传热及CHF模型研究

纳米流体传热是一种新兴的换热方式,目前研究多集中在单相研究领域,而纳米流体沸腾传热特性的相关研究较少。本文采用热通量拆分方法,将壁面传热分为4种模型(微液层蒸发、气泡脱离前的瞬态导热、气泡脱离后的瞬态导热以及微对流换热),对这4种模型的传热量分别进行计算,结合壁面核化中心密度等参数,计算了壁面平均传热系数和CHF。结果表明,本文计算结果与国际上已发表的实验数据符合较好,充分验证了所建立模型的合理性。     

同轴型热虹吸系统轴向传热特性实验研究

对一种用于冷中子源系统的自然循环进行了轴向传热特性研究,建立了以氟里昂为工质的同轴型热虹吸管传热实验系统。研究表明:同轴型热虹吸系统可强化轴向热传输能力,其传热工况有过冷沸腾流动振荡工况、稳定工况和烧干工况3类。在低功率区,过冷沸腾和携带机制造成启动过程的两相流振荡;进入稳定工况区后,系统具有自调适能力,能够维持恒定的循环质量流率;在高功率区,蒸发器烧干产生传热极限。本研究显示出同轴型热虹吸系统的动力特性与普通自然循环系统有明显区别,其循环机制与普通热虹吸系统有本质区别。     

转运通道中燃料组件沸腾传热的试验研究

在压水堆换料过程中,乏燃料组件要通过水下通道完成从反应堆厂房到乏燃料水池的运输。为获得乏燃料组件在换热条件较恶劣的承载器顶角区域的传热特性,开展了试验研究,测量得到了2 400～20 000 W/m²不同热流密度下承载器顶角区域3根燃料棒顶部的沸腾换热系数,并拟合得到沸腾传热关联式。研究结果可为今后工程应用中评估燃料组件在转运过程中的热工安全状态和表面最高温度提供参考。     

Prediction of Transient Boiling Transition in BWR Fuel Rod Bundles by Subchannel Analysis Program MENUETT

Transient CHF (critical heat flux) tests of a 4 X 4 rod bundle were analyzed by the subchannel analysis program MENUETT. MENUETT is based on a non-equilibrium, five equation, two-phase flow model and is available both for steady state and transient analyses. Turbulent mixing and void drift effects are taken into account to calculate cross flows in fuel rod bundles. The tendency of calculated subchannel mass fluxes and qualities agreed with experimental data. By using a critical quality correlation obtained from steady state CHF data, the position of the earliest boiling transition could be predicted regardless of non-uniform axial heat flux distributions. This transition occurrence time was predicted within a difference of 0.1～0.3 s from the experimental time. MENUETT applicability was confirmed for transient calculations predicting thermalhydraulic behavior in bundles.     

Two-phase flow regimes and mechanisms of critical heat flux under subcooled flow boiling conditions

A literature review of critical heat flux (CHF) experimental visualizations under subcooled flow boiling conditions was performed and systematically analyzed. Three major types of CHF flow regimes were identified (bubbly, vapor clot and slug flow regime) and a CHF flow regime map was developed, based on a dimensional analysis of the phenomena and available experimental information. It was found that for similar geometric characteristics and pressure, a Weber number (We)/thermodynamic quality (x) map can be used to predict the CHF flow regime.Based on the experimental observations and the review of the available CHF mechanistic models under subcooled flow boiling conditions, hypothetical CHF mechanisms were selected for each CHF flow regime, all based on a concept of wall dry spot overheating, rewetting prevention and subsequent dry spot spreading. Even though the selected concept has not received much attention (in term or theoretical developments and applications) as compared to other more popular DNB models, its basis have often been cited by experimental investigators and is considered by the authors as the “most-likely” mechanism based on the literature review and analysis performed in this work. The selected modeling concept has the potential to span the CHF conditions from highly subcooled bubbly flow to early stage of annular flow and has been numerically implemented and validated in bubbly flow and coupled with one- and three-dimensional (CFD) two-phase flow codes, in a companion paper. [Le Corre, J.M., Yao, S.C., Amon, C.H., in this issue. A mechanistic model of critical heat flux under subcooled flow boiling conditions for application to one and three-dimensional computer codes. Nucl. Eng. Des.].     

Cr涂层锆包壳池式沸腾传热实验研究

铬（Cr）涂层锆合金包壳被认为是最有前途的耐事故燃料（ATF）包壳材料之一，这种材料的表面状态对传热性能的影响程度将极大地影响着涂层锆包壳的工艺优化方向。本文在常压下的Cr涂层锆合金包壳池式沸腾实验装置中对不同工艺方法下制备的Cr涂层锆合金包壳进行实验，研究了粗糙度等表面状态对传热的影响规律及其机制。结果表明，表面粗糙度的提高能降低汽化核心产生的条件，在相同壁面过热度下可显著强化传热。在本文研究参数范围内，随着传热表面粗糙度的提高，临界热流密度（CHF）相应地呈上升趋势，增加表面粗糙度能有效提高CHF值。在此基础上，本文还建立了粗糙度对传热系数影响的预测关系式。