旋向对螺旋管束内铅铋流动传热特性影响的数值模拟研究

螺旋管式直流蒸汽发生器（H-OTSG）被广泛应用于液态金属反应堆的设计中，其中相邻的径向螺旋管束可以布置为同一旋向或相反旋向，不同的旋向策略会影响到蒸汽发生器壳侧的流动行为。为探究不同旋向对螺旋管束中铅铋流动与传热特性的影响，采用剪切应力输运（SST k-ω）模型、湍流模型和Kays湍流普朗特数（Prt）模型对其进行数值模拟研究。首先通过现有液态金属横掠棒束实验对数值方法进行了验证；其次建立了同一旋向和交替旋向2种螺旋管束模型，比较了其传热和阻力的差异；最后从流场的角度对产生差异的原因进行了分析。结果表明，交替旋向的螺旋管束中的阻力和传热分别比同一旋向管束高7.1%和4.4%，这是因为交替旋向管束中的速度场更均匀且湍流交混更强。     

螺旋管式直流蒸汽发生器壳侧流场数值模拟方法研究

铅冷快堆（LFR）采用一体化堆芯设计方案,其中的直流蒸汽发生器（OTSG）多采用螺旋管式结构以使整体结构小型紧凑。为研究LFR中螺旋管式OTSG壳侧铅铋冷却剂的流动传热特性,利用FLUENT软件,采用一种分区段计算方法,通过管壁热流密度拟合公式对螺旋管式OTSG壳侧进行了三维数值模拟。最终验证了该分段计算方法的正确性,分析了OTSG壳侧铅铋冷却剂的流动传热特性,获得了其速度、温度以及压力场的计算数据,为下一步OTSG流致振动分析和高温应力计算提供了依据。      

基于漂移流模型的液态金属快堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性分析

在液态金属快堆螺旋管蒸汽发生器中,存在一个普遍问题,其一次侧的进、出口温差大幅升高,二次侧出口蒸汽过热度显著增大,这给其设计及运行带来了挑战。基于离散网格法建立了液态金属快堆螺旋管蒸汽发生器热工水力分析模型。模型对整个一、二次侧回路进行网格划分,采用漂移流模型计算二次侧水-水蒸汽的流动与传热,并在一次侧计算中采用液态金属物性与流动传热关联式;采用内节点法对壁面划分网格,考虑两侧流体与管壁间的对流换热以及壁面导热。基于实验数据验证模型可靠性。以铅铋快堆为例,研究不同入口条件下蒸汽发生器的热工水力特性。研究发现一、二次侧之间的壁面热流密度沿程分布极为不均匀,且热流密度峰值极高。算例中壁面热流密度最大值达到1361 kW/m²,最大值与最小值间相差数十倍到数百倍。随着一次侧入口铅铋温度以及铅铋流速的增加,二次侧过冷水区及两相区长度明显缩短,过热蒸汽区长度明显增大;同时,壁面热流密度峰值向螺旋管入口方向移动,二次侧工质压降明显增大。     

螺旋管核态沸腾两相流摩擦压降与传热数值分析

通过合理简化一体化模块式先进反应堆(SMART)螺旋管式蒸汽发生器,建立螺旋管单元管模型,采用两流体模型和非平衡过冷沸腾模型,在均匀热流密度下对螺旋管内流体进行不同参数下流动与传热数值模拟。结果表明：摩擦压降数值计算结果与陈学俊经验公式最为接近;曲率从0.04降至0.012时,摩擦压降明显下降,曲率继续下降,摩擦压降不变;加速压降几乎不受曲率影响;螺旋升角为3°～8.6°时,计算摩擦压降可不考虑螺旋升角的影响;雷诺数越大,总压降和摩擦压降均变大,摩擦压降梯度也明显增大。     

液态金属螺旋管式直流蒸汽发生器数值模拟研究

螺旋管式直流蒸汽发生器(HCOTSG)是一种蒸汽发生器常用形式。得益于其特殊的优势,HCOTSG被广泛用于各类反应堆动力系统中。本文提出了利用计算流体力学软件（FLUENT）对液态金属HCOTSG的壳侧液态铅铋、管侧两相流体进行耦合流动传热计算的CFD方法,并通过与相关实验研究结果的对比验证了数值模拟方法的正确性。在此基础上,本文对HCOTSG在典型工况下开展了数值模拟计算,得到蒸汽发生器内部的热工水力参数分布情况,并对其内部的流动换热特性进行分析。本研究为液态金属HCOTSG流动换热特性研究及结构设计优化提供新的思路方法。     

铅铋快堆螺旋管直流蒸汽发生器热工水力特性数值研究

本研究以铅铋快堆螺旋管直流蒸汽发生器（HOTSG）设计结构为研究对象,采用精细网格与多孔介质相结合的物理建模方法,通过一次侧三维湍流计算与二次侧用户自定义函数（UDF）分区传热计算相耦合的手段,在FLUENT求解器中开展了蒸汽发生器的热工水力特性数值分析研究。研究表明:铅铋入口附近的流量分配孔和腔室对应的直管段区域出现铅铋流速峰值,径向最大速度为0.431 m/s;入口腔室至管束区位置受到阻力突变的影响,压力、横流速度、轴向速度变化较大;热工参数变化符合流动与传热机理,临界热流密度（CHF）点附近一二次侧温差最大为109.61 K,此处最大热流密度为323.55 kW/m2。该研究将为铅铋快堆HOTSG结构设计、流致振动及安全评价提供重要的参考。      

铅铋与水自然循环流动传热比较分析

铅铋合金和水一样具有一定的自然循环能力,被选为加速器驱动的次临界堆中最有前景的冷却剂之一。对两者自然循环流动传热的比较分析研究,可以优化铅铋回路的设计。建立回路模型,计算铅铋及水的自然循环流量,验证了回路进行自然循环的可行性。通过比较不同温差下相关参数如流速、雷诺数、努塞尔数,得出两者流动传热差异。根据热流体理论,铅铋和水自然循环中,两者的热阻力机制都起到主导作用,水流热阻力和热绕流机制作用强于铅铋流体,因此铅铋自然循环流动传热效果不如单相水。     

基于OpenFOAM的铅基快堆流体通道内两相流研究

为研究铅基快堆中铅/铅铋的特殊热物性导致的在两相流情况下的热工水力特性,模拟流体通道中空泡存在对堆芯的输热能力以及安全性的影响,本文采用开源的CFD计算软件OpenFOAM,应用基于VOF方法的数值模拟,构建了铅基快堆中常见的三角形通道模型,通过与子通道程序的验证和单相条件下实验的校核,检验了所用代码的准确性,并对堆内冷却剂通道的两相流进行了模拟。模拟结果表明：随着两相流流速的增大,冷却剂出口温度降低。气液两相流在内通道流动过程中,气相基本在通道内部流动。随着轴向高度的升高,气泡会在内通道的中心区域聚合;燃料组件的角通道是气泡含量多的区域,会造成局部传热恶化,导致组件烧毁。     

螺旋管蒸汽发生器三维热工水力程序HeTAF开发

针对核动力系统螺旋管蒸汽发生器,本文采用多孔介质方法对具有复杂换热组件区域多层螺旋套管结构进行简化,构建了壳侧工质流动换热特性数学物理模型,并基于均相流假设建立了管侧水-水蒸气两相流动沸腾换热特性分析模型,采用网格-节点映射方法实现了管壳两侧耦合传热计算,基于开源OpenFOAM平台开发了适用于螺旋管蒸汽发生器的三维全尺寸热工水力特性分析程序HeTAF。基于螺旋管两相流动沸腾换热实验开展了模型验证,并以高温气冷堆示范工程中螺旋管直流式蒸汽发生器为分析对象开展了单换热组件模拟,获得的氦气和蒸汽出口温度计算结果与设计值符合较好,表明HeTAF能有效预测换热组件内管壳两侧流动换热特性。本文的研究对螺旋管蒸汽发生器的设计和安全分析具有参考意义。     

轴流铅铋泵流场分析及优化

铅铋泵作为铅铋冷却快堆一回路的关键输送设备,其安全运行对铅铋冷却快堆的安全至关重要。液态铅铋合金在泵内流动特性对泵的长期安全运行有重要影响,为了研究轴流铅铋泵泵内流场,通过Workbench/BladeGen软件建立了主泵叶轮模型,在ANSYS CFX软件中数值模拟泵内流场,并根据数值模拟结果改进了导叶片厚度,优化了动叶片翼型出口角,从而改善泵内流场。研究结果表明,铅铋泵叶片型线出口附近角度变化过快会导致叶片压力分布不均匀,产生局部高压的现象,进而可能造成更严重的冲蚀。优化导叶片厚度以及动叶片出口液流角后,泵内流场整体迹线较为平稳,导叶片出口处铅铋合金流速可以维持在1.8 m/s左右。      

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。     

连续螺旋折流板换热器传热与阻力性能实验研究

对连续螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器壳侧的传热性能及阻力性能进行了实验研究,得出了壳侧阻力和换热的关联式,并将其和非连续螺旋折流板换热器进行了比较.研究发现,在壳侧流速较大时,连续螺旋折流板换热器的传热性能优于弓型折流板换热器和非连续螺旋折流板换热器.     

管束间两相流的流场及流动特性计算方法研究

利用流体力学数值计算软件FLUENT,基于混合物模型对气-液两相流体绕等间距排列圆管流动进行数值模拟,得到不同工况中心圆柱的升阻力时程和整个计算域的流动特性。通过计算发现,对于气-液两相流绕等间距排列圆管流动而言,中心圆柱的升阻力均方值、极值和旋涡脱落频率均随着雷诺数增大而增大。并通过实验对模拟结果进行比较,验证了模拟结果的合理性。     

矩形回路铅铋自然循环稳定性研究

为了对矩形回路铅铋自然循环流动稳定性进行分析，得到影响自然循环流动的因素及其作用规律，采用时域法，开发一维系统程序FRTAC对铅铋自然循环进行数值计算，分析处理动态时序判定其稳定特性，获得了铅铋自然循环在相关工况条件下的稳定域与稳定性边界、铅铋自然循环回路的流动稳定性特性，以及影响因素与规律。研究表明，增大回路加热段长度会使系统的稳定性增强，而增大流道直径以及冷热段心位差均会使系统稳定性裕量降低，稳定性减弱。     

横摇运动下铅铋回路热工水力特性数值研究

为研究横摇运动下铅铋回路系统热工水力特性，利用商用CFD软件开发了铅铋回路系统的计算模型以及横摇运动的计算方法，并采用实验数据对数值计算结果进行了验证，其中，横摇运动流量的最大偏差在3%以内。计算结果表明，横摇运动会使回路系统的自然循环流量发生周期性波动，流量波动的周期与运动周期一致，波动的幅度会随着横摇运动最大幅度的增大、运动周期的减小而增大，在最大摇摆角20°摇摆周期7.5 s工况下流量的瞬时波动最大达到了140%,并在一些时刻产生倒流现象。横摇运动也会让系统的流动和传热特性参数发生周期性的瞬时波动，这种波动的规律与自然循环流量的波动规律相似，其中Nu的最大瞬时波动达到了515%,最大时均波动可达66%。本研究获得的结果对横摇运动下的铅铋回路系统设计优化具有重要的工程应用价值和科学意义。     

水和液态铅-铋的自然循环流动相似性研究

自然循环铅-铋冷却反应堆是反应堆发展的重要方向,掌握铅-铋自然循环流动特性是发展自然循环铅-铋冷却反应堆的关键,实验模化相似性研究是其中进行的最广泛的方法之一。本文以相似理论为基础,采用理论推导研究和数值模拟相结合的方式探究用水来模拟铅-铋流动特性的可能性。最终结果显示在稳态工况和瞬态工况下,用水模拟铅-铋的流动特性都是可以实现的。     

螺旋管内热质传输行为与全工况预测模型研究

螺旋管式直流蒸汽发生器结构紧凑、传热高效、可靠性强,在先进小型堆中具有广泛应用,然而其管侧螺旋管内过冷水受热变为过热蒸汽,覆盖全部传热区域,且受螺旋几何、离心力及二次流影响,流动传热行为演化机制复杂,现有模型限制了高性能螺旋管式蒸汽发生器的进一步发展。本文针对螺旋管内热质传输行为开展了系统性实验和理论研究,建立了几何尺寸和热工参数范围最广泛的螺旋管传热、阻力基础热工实验数据库,明确了周向非均匀传热与沿程传热机制转变规律。基于机理分析,构建了高精度全工况的预测模型库,提出了三区干涸点、基于干度梯度的干涸后传热、宽范围两相摩擦倍增因子等模型,实现了全传热区域高精度预测。本文结果可满足先进反应堆螺旋管式蒸汽发生器设计需求。     

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。     

燃料组件堵流工况下铅铋-氩气两相流的传热压降特性分析

带绕丝燃料组件的堵流事故是铅冷快堆安全分析的重要工况之一。由于在铅铋自由液面处的气体夹带或在气体增强自然循环条件下存在铅铋-氩气的两相流情况,可能引起燃料组件堵流工况下的局部热工水力特性变化。本文通过计算流体力学软件Fluent,对带绕丝19棒束燃料组件进行建模,模拟分析了堵流工况下的铅铋-氩气两相流传热压降特性,并对两相流模型进行了对比验证,对入口雷诺数、堵块孔隙率、氩气气泡直径等因素进行参数敏感性分析。结果表明：在堵流条件下氩气气泡的流动行为包括逃逸、耗散和受限,在气相体积分率较高的区域会产生局部微正压及过热现象。研究结果可为铅冷快堆堵流事故的安全分析提供参考。     

杆式支撑换热器换热的数值模拟

采用数值模拟方法研究杆式支撑换热器．可以克服实验研究方式的不足。利用相似理论确定数值模拟模型,分析了各结构参数变化对换热器传热和流动性能的影响．利用最小二乘法．进一步回归出杆式支撑换热器层流下的传热和流动阻力的准数关联式．设计,建造了一套可变结构参数的杆式支撑换热器热模实验装置．在壳程单排管间布杆或双排管间布杆、不同流速和不同折流栅结构参数情况下测得了100个实验值．将实验测量值和计算值进行了比较。结果表明：数值模拟计算的Nu值和△p值与实验测量值吻合很好,由实验数据回归得到的传热和流动阻力无因次准数关系式与数值模拟程序计算得到的准数关系式也吻合较好．显示出数值模拟方式进行换热器研究的显著优点.