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。     

超临界水冷反应堆内带定位格架的类三角形堆芯通道流动传热特性研究

采用结构化多面体网格和商用CFD软件对反应堆堆芯棒径D=8 mm,栅距比P/D=1.4超临界水冷反应堆内带定位格架类三角形堆芯通道内超临界水流动与传热特性进行研究。研究结果表明:采用SSG湍流模型计算得出的内壁温度与实验数据吻合良好。定位格架会导致工质产生扰动,阻流片型定位格架比标准型定位格架对流体扰动影响大。定位格架可强化堆芯通道内超临界水传热,阻流片型定位格架末端强化换热能力要优于标准型定位格架。     

带7道格架的5×5棒束两相性能CFD分析

采用两相计算流体动力学（CFD）方法进行带7道格架的5×5棒束两相性能研究，其中结构搅混格架（MG）和跨间搅混格架（MSMG）交替布置，计算考虑汽泡合并与破裂、热量传递，但不考虑相间的质量传递。为选择合理的两相模型参数，首先以带2道格架（MG、MSMG）的AFA3G燃料组件5×5棒束架为研究对象，对最大气泡直径、汽泡合并破裂系数、非曳力模型及曳力模型、入口气泡直径、入口空泡份额分布等进行了敏感性及不确定性分析。此后采用该两相模型设置，针对带7道格架的AFA3G燃料组件进行了两相性能研究，计算结果显示格架间的各项参数不存在完全一致的周期性，但同种格架上游的空泡份额分布具有一定的相似性，因此用于两相性能评价可计算带2~3道格架的棒束，该研究可用于带格架棒束两相计算的模型设置与几何规模选择，为下一步采用两相CFD计算建立燃料组件热工水力性能评价准则奠定了基础。最后比较了AFA3G燃料组件及改进型燃料组件两种格架的空泡分布特性，并从提高燃料组件临界热流密度（CHF）特性的角度对其进行评价，获得与实验一致的结论，证明了评价方法的正确性。      

基于CFD方法格架局部阻力系数计算模型研究

为了研制高性能燃料组件,定位格架的阻力特性直接关系到燃料组件的热工性能和水力相容性。本文针对5×5规模的定位格架,从流动阻力的基本原理出发,利用CFD方法研究并建立了格架局部阻力特性的理论计算模型,并对计算结果进行验证。结果表明,基于计算模型获得的格架局部阻力系数与直接模拟结果基本一致,验证了计算模型的准确性。     

带有定位格架的超临界反应堆堆芯强制对流换热的数值研究

采用非结构化多面体网格和商业计算流体力学(CFD)软件对两类带有流动强化特征的定位格架对超临界水在反应堆堆芯子通道内流动及换热特性的影响进行数值研究。研究结果表明:定位格架对子通道内超临界水的换热影响显著;在定位格架内部,流通面积减小,流速增加,换热得以有效强化;阻流片型定位格架对子通道中心流体的阻挡和导流能够中和流动阻塞效应,强化其下游窄缝区的局部换热效果;交错叶片型定位格架能够在其下游产生漩涡流,加强相邻子通道间工质的热量和质量交换,强化局部换热;漩涡流也可能导致轴向速度损失,造成局部换热弱化,不利于反应堆的安全性;入口雷诺数Re对交错叶片型定位格架下游局部换热有较大影响。Re较高时,此类定位格架对子通道内局部换热的强化作用更为明显。     

过冷沸腾工况下不同刚凸结构对定位格架热工水力性能影响的数值模拟分析

刚凸作为格架的重要组成部件之一,对于燃料棒的支撑和格架内部的流动均至关重要。采用CFX软件,对3种不同刚凸结构的5×5格架在过冷沸腾工况下两相流动与换热情况展开分析研究。在简单几何通道中对比计算得到的平均空泡份额与实验数据的结果,对采用的两相CFD模型进行验证。将验证过后的模型运用到之后的棒束两相分析中,在合理的CFD两相模型与充分发展的计算域选取的基础上,从压降、速度和空泡份额分布3个角度,定性评价刚凸结构对格架热工水力性能的影响。     

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。     

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。     

燃料组件5×5格架多跨模型CFD模拟方法研究

本文详细描述了某典型燃料组件5×5格架模型CFD分析的几何模型简化、网格划分、求解及后处理等过程。在5×5结构单跨模型上研究了弹簧刚突对搅混特性及压降的影响,并采用简化弹簧刚突的5×5格架模型实现了包含11层格架的多跨模型计算。单跨模型计算结果表明,弹簧刚突结构强化了横向流动,利于换热,Nu提高了8%,但弹簧刚突格架模型较简化弹簧刚突模型压降损失增加了40%。多跨模型计算得到了多层格架全程流动换热特性,为燃料组件自主研发中定位格架数量及布置的设计优化以及DNB预测计算提供了有效的CFD分析方法。     

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。     

Single-phase CFD applicability for estimating fluid hot-spot locations in a 5 × 5 fuel rod bundle

High-thermal performance PWR spacer grids require both of low pressure loss and high critical heat flux (CHF) properties. Therefore, a numerical study using computational fluid dynamics (CFD) was carried out to estimate pressure loss in strap and mixing vane structures. Moreover, a CFD simulation under single-phase flow condition was conducted for one specific condition in a water departure from nucleate boiling (DNB) test to examine the applicability of the CFD model for predicting the CHF rod position. Energy flux around the rod surface in a water DNB test is the sum of the intrinsic energy flux from a rod and the extrinsic energy flux from other rods, and increments of the enthalpy and decrements of flow velocity near the rod surface are assumed to affect CHF performance. CFD makes it possible to model the complicated flow field consisting of a spacer grid and a rod bundle and evaluate the local velocity and enthalpy distribution around the rod surface, which are assumed to determine the initial conditions for the two-phase structure. The results of this study indicate that single-phase CFD can play a significant role in designing PWR spacer grids for improved CHF performance.     

计算流体动力学在燃料组件热工水力性能分析和格架研制中的应用

国外使用商用计算流体动力学(CFD)软件分析燃料组件中流体的三维流场和温度场,并将验证的方法用于燃料组件格架设计,获得了成功。中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环重点实验室用CFX程序对带格架棒束内流场进行了计算,解决了小尺寸复杂结构几何体的模拟,边界条件的选取和CFX计算能力的评价,然后完成了单相,空气一水两相流场和流动特性的计算分析及试验对比验证。已完成的研究表明,尽管CFX程序目前在计算两相流动和传热方面还存在不足,但通过比较单相流场的湍流,旋涡和棒束附近流体温度分布基本可以评价格架对流体的交混性能;格架上的弹簧和刚突对于流动有相当的作用,对其进行模拟是必要的。研究还建议在使用CFD方法进行燃料组件格架热工水力分析前要先进行基准练习以保证分析结果的正确性。     

CFD methodology and validation for single-phase flow in PWR fuel assemblies

This paper presents the CFD modeling methodology and validation for steady-state, normal operation in a PWR fuel assembly. This work is part of a program that is developing a CFD methodology for modeling and predicting single-phase and two-phase flow conditions downstream of structural grids that have mixing devices. The purpose of the mixing devices (mixing vanes in this case) is to increase turbulence and improve heat transfer characteristics of the fuel assembly. The detailed CFD modeling methodology for single-phase flow conditions in PWR fuel assemblies was developed using the STAR-CD CFD code. This methodology includes the details of the computational mesh, the turbulence model used, and the boundary conditions applied to the model. The methodology was developed by benchmarking CFD results versus small-scale experiments. The experiments use PIV to measure the lateral flow field downstream of the grid, and thermal testing to determine the heat transfer characteristics of the rods downstream of the grid. The CFD results and experimental data presented in the paper provide validation of the single-phase flow modeling methodology. Two-phase flow CFD models are being developed to investigate two-phase conditions in PWR fuel assemblies, and these can be presented at a future CFD Workshop.     

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。     

棒束定位格架内单相流体三维流场研究

利用计算流体动力学(CFD)方法对带定位格架棒束内单相流体三维流场进行研究,以了解定位格架对流体流动的影响。用激光多普勒测速系统测量的实验数据对预测结果进行了校验,两者吻合较好。     

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。      

7棒束紧密栅元流体流动传热数值研究

紧密栅元内的流体流动传热研究对高转化比反应堆燃料组件的优化有十分重要的意义。本文采用CFD方法对7棒束紧密栅元棒束通道内流体流动传热现象进行了数值模拟,并与7棒束紧密栅元内氟利昂流体传热的实验结果进行对比分析,详细分析了定位格架对棒束内流体传热流动的影响。结果表明：数值计算所得的非加热棒的壁面温度和实验吻合良好,定位格架的存在对其下游流体流动、棒束最高温度分布及交混系数有明显的影响,棒束某些位置因流动滞止导致温度大幅上升,在设计中应加以注意。     

Non-intrusive experimental investigation of flow behavior inside a 5 × 5 rod bundle with spacer grids using PIV and MIR

The validity of the simulation results from computational fluid dynamics (CFD) is still under scrutiny. Some existing CFD closure models for complex flow produce results that are generally recognized as being inaccurate. Development of improved models for complex flow simulation requires an improved understanding of the detailed flow structure evolution with dynamic interaction of the flow multi-scales. Thus, the goal of this work is to contribute to a better understanding of presupposed and existent events that could affect the safety of nuclear power plants. The fundamental phenomena of fluid flow in rod bundles with spacer grids can be elucidated by using state-of-the-art measurement techniques. This study aims to develop an experimental data base with high spatial and temporal resolution of fluid flow velocity inside a 5 × 5 rod bundles with spacer grids. The full-field detailed data base is intended to validate CFD codes at various temporal-spatial scales. Measurements are carried out using dynamic particle image velocimetry (DPIV) technique inside an optically transparent rod bundle utilizing the matching index of refraction (MIR) approach. This work presents full field velocity vectors and turbulence statistics for a rod bundle under single phase flow conditions.