燃料组件精细化定位格架模型开发及评价

为提高燃料组件子通道内两相局部参数预测的准确性,本文基于分布式阻力方法建立精细化定位格架模型,选用合适的摩擦阻力表达式,对格架上的交混翼进行精细化建模,采用Carlucci湍流交混模型计算湍流交混速率,引入阻塞因子计算由定位格架引起的湍流交混效应,并将建立的精细化定位格架模型植入子通道分析程序（ATHAS）,对压水堆子通道和棒束实验（PSBT）基准题进行计算分析。结果表明,本文开发的精细化定位格架模型能够提高燃料组件子通道内空泡份额和温度分布的预测准确性,为棒束通道流场、焓场计算和临界热流密度（CHF）预测奠定了基础。      

定位格架下游湍流特性测量研究

在子通道雷诺数为6 600、13 200、26 400和39 600下,使用粒子成像测速仪对5×5棒束分流型交混翼定位格架下游横向和纵向流动进行测量。平均速度和湍流脉动速度均方根的实验结果最大不确定度低于1%的主流平均速度。格架下游二次流结构经历了交混翼脱落涡结构耗散、剪切产生双涡结构、双涡结构向单涡结构的转变及单涡结构沿程衰减过程,横向平均速度和湍流脉动速度均方根沿程变化均受涡结构演进影响。格架近场湍流统计量迅速衰减;格架远场湍流统计量缓慢衰减,流动趋于光棒束充分发展流动。横向流动受雷诺数效应和格架交混效应共同影响。     

超临界反应堆堆芯中定位格架阻力特性影响数值研究

采用非结构化多面体网格,利用商业计算流体动力学软件对4类定位格架对超临界反应堆堆芯子通道内阻力特性的影响进行数值研究。定位格架造成的压力损失主要为摩擦阻力和形状阻力,前者由格架本体长度决定,后者则与定位格架的阻塞率以及流动强化特征的结构有关。交错型叶片结构的流动强化特征由于更具流线性,因而在强化流动的同时,造成的压力损失较小。由于C类定位格架相对于标准蛋篓型定位格架所具有的流动强化优势,在超临界反应堆的设计过程中,可以将其结构作为定位格架优化设计方向加以重点考虑。     

定位格架与子通道压力损失预测模型研究

定位格架与子通道压力损失的准确预测对定位格架和压紧系统设计以及临界热流密度关系式开发有着至关重要的影响。本文通过对典型定位格架结构识别,研究了典型定位格架子通道划分依据,重点研究了定位格架压力损失与子通道压力损失之间的关系以及子通道内各设计特征,包括不同设计的弹簧、刚凸、搅混翼、导向翼、条带等引起的压力损失特点。通过对子通道内各设计特征进行合理简化与抽象,以经典水力学阻力结果为基础,等效为圆管内具有一定倾角的平板,从而建立了子通道压力损失预测模型,进而建立了定位格架压力损失预测模型。计算结果显示模型能准确预测试验值。     

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。      

定位格架对棒束通道出口温场分布影响研究

为分析定位格架交混能力,进一步优化定位格架热工设计方法。本文通过实验研究不同结构定位格架对棒束通道出口温场分布的影响。实验中,系统压力为7.0～16.5 MPa,质量流速为900～4500 kg·m^-2·s^-1,实验段进出口温差为30～128℃。实验结果表明,在压水堆运行参数范围内,对于相同定位格架结构形式,不同压力、进出口温差、质量流速等热工参数条件下棒束通道出口截面子通道最高温度和最低温度的差值与进出口温差的比值没有明显变化趋势;交混翼主导了定位格架的交混作用,II型交混翼带来较强的交混作用;对于D型定位格架,非对称的条带结构会导致流场整体出现一定的偏转,一定程度上降低了定位格架的交混作用。     

压水堆燃料组件方形定位格架结构设计、工艺特点和性能评价

定位格架是压水堆燃料组件的重要部件,其设计优劣直接影响到反应堆的经济性和安全性。方形定位格架设计与研究历时八年之久,先后设计出几种结构形式的定位格架。热工、水力和力学等堆内外试验证明,其中一些结构形式的定位格架基本满足设计要求,在定位格架上方设置交混翼,使热工性能明显改善,与无交混翼格架相比,临界热流密度提高20%以上,这些定位格架均可以在工程上使用。     

钠冷快堆分析程序ATHAS-LMR的子通道模型

以子通道模型和绕丝分布式阻力模型为基础,研发了液态金属快中子增殖堆热工水力子通道分析程序ATHAS-LMR,以对液态金属快中子增殖堆燃料组件中的热工水力现象进行分析。与国外知名实验和类似子通道分析程序比较,结果表明：ATHAS-LMR与实验结果及其他子通道分析程序的结果相近,能够完成包括堵流工况的各种工况下液态金属快中子增殖堆组件的热工水力性能分析。     

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。     

5×5定位格架棒束通道内三维流场研究

采用混合网格技术、SST k-ω湍流模型、改进的速度-压力耦合算法SIMPLEC求解雷诺时均的连续性方程、动量方程,得到格架内各截而的速度场和压力场.计算结果表明:在定位格架的影响下,通道内产生了强烈的横向流动;横向速度呈抛物线分布,轴向速度分布在通道内趋于均匀;阻力系数随进口雷诺数的增大而减小.将速度分布和阻力系数分布的预测值与试验值进行了对比,两者吻合较好.     

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。     

Spacer Effect Model for Subchannel Analysis

Mean velocity and velocity fluctuation in a test channel that consisted of five subchannels with and without ferrule-type spacer were measured using air as a working fluid, to clear turbulence intensity enhancement due to spacer. Measurements were performed at Reynolds number of 0.5–1.2×10⁵, which simulated vapor flow velocity of annular-dispersed flow in BWR condition. It was confirmed that magnitudes of velocity fluctuations in radial direction were proportional to Reynolds number and square root of friction factor downstream from a spacer. New spacer effect model to describe turbulence intensity enhancement due to the spacers was developed. In the model, dependence of the velocity fluctuation on ferrule thickness was correlated by blockage ratio. It was found that the present spacer model is applicable to prediction of turbulence intensity enhancement due to spacer.     

适用于海洋条件的子通道分析程序开发及应用

基于海洋条件分析起伏和摇摆条件下的附加力计算方法,得出典型海洋条件下动量守恒方程的修改方法和压力边界条件修改方法。以此为依据,修改具有自主知识产权的子通道分析程序ATHAS,得到适用于海洋条件下的子通道分析程序ATHAS/OE。运用ATHAS/OE对陆奥反应堆堆芯进行起伏和摇摆条件下的热工水力分析;同时用COBRA-IV进行同样分析,验证ATHAS/OE的正确性。分析结果表明:起伏条件下ATHAS/OE所得计算结果与运用COBRA-IV的计算结果符合良好;起伏和摇摆条件下,子通道出口的质量流速、含汽率、堆芯最小偏离泡核沸腾比(MDNBR)都呈现周期性振荡;起伏条件下,由于进行了针对振荡加速度场下临界热流密度(CHF)计算的修正,相较于陆基条件下,起伏条件总是降低了堆芯MDNBR;而在摇摆条件下由于并未引入修正CHF计算的数学模型,故堆芯MDNBR的振荡很小。     

考虑格架的控制棒尖齿效应研究

利用节块法计算控制棒效应时,若处理不好控制棒价值会出现锯齿状的变化,即控制棒尖齿效应。本文利用一维模拟三维,分别将体积权重方法、轴向细网通量体积权重方法和带轴向不连续因子的轴向细网通量体积权重方法对不考虑格架和考虑格架时的控制棒尖齿效应进行修正,并比较其结果的差异。结果表明,格架带来的误差不可忽视,应选择较好的方法来得到均匀化截面,此外加入轴向不连续因子可明显减少均匀化所带来的误差。     

棒束通道中格架对传热影响的实验研究

针对格架下游传热问题,开展了格架对5×5棒束通道中传热影响的实验研究,实验Re约为1000～30000,浮升力参数Bo*为2×10^-7～3×10^-3。观察实验结果发现,格架下游传热与浮升力参数存在较强关联,当浮升力参数较大时,格架下游传热较复杂,且不同于人们以往对格架下游传热的认识。通过对实验数据分析,提出了新的预测格架下游传热的经验关系式,此关系式考虑了浮升力对格架下游传热的影响,且能较好地对格架下游传热进行预测。     

环形通道内定位格架对超临界水传热的影响

定位格架对棒束内流动传热具有极重要的影响,目前定位格架对超临界水传热的影响仍无相应的试验数据。本文基于上海交通大学完成的超临界水在环形通道内的对流传热试验,评价了传统定位格架对下游传热系数衰减关联式的适用性。试验结果表明,定位格架的面积阻塞比对格架下游传热系数衰减规律有很大影响;在超临界压力与次临界压力条件下,定位格架下游传热系数衰减规律也有较大的差异。     

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。