铅铋螺旋管壳侧流动传热数值模拟研究

为研究铅铋螺旋管式直流蒸汽发生器（H-OTSG）壳侧的流动传热特性,提出了一种用于螺旋管束内铅铋流动传热特性的数值模拟方法。基于现有的相关实验数据,对不同湍流模型进行了验证,在验证数值模型可靠性的基础上,对铅铋H-OTSG壳侧进行数值模拟,以分析流速和螺旋升角对其传热和阻力特性的影响。结果表明,H-OTSG壳侧流动阻力和换热均随流速和螺旋升角的增大而增强。流速增大会显著增强流场均匀性,螺旋升角增大会影响涡旋分布并加强交混。本研究为铅铋螺旋管流动传热特性研究和设计优化提供参考。     

液态铅铋合金湍流普朗特数及RANS模型优选

工程上常采用RANS湍流模型进行热工水力相关的数值模拟,然而液态铅铋合金（LBE）具有独特的热物性,常规湍流普朗特数模型和RANS湍流模型对其流动与传热模拟的适用性有待研究。为更准确地描述绕丝燃料组件内LBE的流动与换热过程,本文基于大涡模拟对湍流普朗特数模型和RANS湍流模型进行优选。首先,采用四种湍流普朗特数模型对绕丝燃料组件内LBE的流动与传热过程进行大涡模拟,对比分析实验数据和模拟结果并进行模型优选。基于优选的湍流普朗特数模型,评价RANS湍流模型对LBE数值模拟的适用性和准确性。结果表明,Cheng湍流普朗特数模型和SST k-ω模型对LBE流动与传热模拟的准确性和适用性最高。     

铅铋快堆SGTR事故下高压过冷水注入高温铅铋合金流动传热数值模拟研究

铅铋快堆内蒸汽发生器传热管两侧为高压过冷水和高温铅铋冷却剂，传热管两侧较大的压差和温差以及液态铅铋合金（LBE）的腐蚀效应可能造成蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故。深入研究事故后高压过冷水冲击高温液态LBE的射流沸腾和相变产物蒸汽扩散的特征，具有十分重要的学术意义和工程应用价值。为揭示事故工况下液态LBE与水相互作用的传热传质机理，基于流体体积（VOF）方法，结合LES湍流模型和Lee相变模型，建立了水/蒸汽-液态铅铋多相流动与传热的三维数值计算模型，系统研究了高压过冷水注入高温LBE内发生的相变传热过程。结合注入压力及过冷水温度等因素，分析了射流沸腾过程中不同工况对射流形态、迁移深度以及沸腾行为的影响，研究结果可为SGTR事故工况下堆芯安全性预测提供指导。     

快堆蒸汽发生器小泄漏下三维流场数值模拟

为了计算快堆蒸汽发生器小泄漏后钠水反应产物的传输扩散,对快堆壳管式蒸汽发生器内稳态钠流场进行了三维数值模拟,建立了蒸汽发生器内钠流场三维数值模型。管束对钠流的影响用分布阻力、体积多孔率、面渗透率来模拟,并根据横掠管束与纵掠管束的压力阻力关系式来关联管束的分布阻力。采用κ－ε湍流模型,壳和支撑板壁面采和壁面函数法来处理。模型计算压降与实验数据比较,二者吻合较好。     

蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区两相流动数值模拟

基于两流体欧拉数学模型结合RPI壁面沸腾模型,利用大型商用CFD软件ANSYS CFX 12.0对蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区一次侧、壁面和二次侧耦合传热过程进行了数值模拟。研究了三叶梅花孔支撑板和不同入口过冷度条件下蒸汽发生器传热管束内的流动沸腾现象,得到一、二次侧流场与温度场,二次侧空泡份额分布,支撑板梅花孔局部的流动状况及不同入口过冷度对蒸汽发生器热工水力特性的影响。数值模拟结果表明,三叶梅花孔支撑板的存在及不同入口过冷度对蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区域的热工水力特性影响显著。     

多头螺旋管式蒸汽发生器的设计计算

本文从实际工程设计需要出发,对高温气冷堆用多头螺旋管式蒸汽发生器的设计进行了研究,提出了多头螺旋管束受热面结构的设计方法,推荐了螺旋管内、管外传热,阻力设计计算关系式以及防止管间脉动,发生流动不稳定性的方法,给出了设计计算的基本步骤。     

液态金属钠在圆管内传热特性数值模拟研究

为研究液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的湍流传热特性,在已有实验研究的基础上,提出了k-ε模型下的湍流普朗特数Pr_t模型,并使用Fluent程序对圆管内的液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性进行了计算。理论设计值与已有实验结果进行对比,二者符合较好。根据本文提出的Pr_t模型,可较为精确地计算液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性。     

竖直管束外含空气蒸汽冷凝传热特性数值分析

采用STAR-CCM+软件对管束条件下含空气蒸汽冷凝开展了数值模拟研究。主要考察了3×3管束、管间距为2倍管径条件下不同传热管的局部场分布和流动传热特性。结果表明，在管束条件下，各传热管附近的空气层发生了重叠，形成了高空气浓度区。这一方面促进了气体的自然对流，提高了对流传热能力；另一方面增加了空气层厚度，抑制了冷凝传热。在管束结构的影响下，管束区域的浓度、温度和速度梯度均较单管有明显的差异，导致各传热管的局部传热系数沿轴向降低了50%以上，周向传热系数最大相差1.88倍。其中，轴向传热性能主要受浓度边界层发展的影响，周向传热性能主要受相邻传热管的影响。通过分析表面平均传热系数发现，各传热管较单管最大降低了9.06%。      

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。     

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。     

液态金属钠在圆管中湍流传热特性研究

采用高Re k-ε模型与壁面函数法对液态金属钠在圆管中湍流传热特性进行数值计算,并与文献实验结果进行了比较,计算值与实验结果符合较好。同时应用该方法研究了湍流程度和加热条件对液态钠传热特性的影响。结果表明：湍流程度对传热的影响主要集中在流道前半段,后半段分子扩散对传热的影响逐渐凸现出来,使不同湍流程度流体传热特性的区别逐渐缩小。初始温度与热流密度对传热特性无明显影响。     

液态金属钠在圆管内传热特性数值模拟研究

为研究液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的湍流传热特性,在已有实验研究的基础上,提出了k-ε模型下的湍流普朗特数Pr_t模型,并使用Fluent程序对圆管内的液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性进行了计算。理论设计值与已有实验结果进行对比,二者符合较好。根据本文提出的Pr_t模型,可较为精确地计算液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性。     

进出口阻力对倒U型管束内倒流特性的影响分析

蒸汽发生器（SG）倒U型管束内倒流问题增大了自然循环条件下SG的流动阻力，降低了系统自然循环能力，对反应堆安全产生了负面影响。针对上述问题，以船用SG为研究对象，分别采用理论分析和计算流体动力学（CFD）数值模拟方法，通过修圆并联倒U型管束内管板开孔，研究了采用改进方案前后管板的流量分配和倒流特性。结果表明，通过修圆短管管板开孔，在自然循环工况下能有效降低SG流动阻力，增大短管的流量分配，从而降低倒流临界流量，延缓倒流现象的发生。研究结论为SG倒U型管束内倒流问题提供了一种可行的解决方案，可以为解决倒流问题研究提供支持。      

蒸汽发生器传热管一、二次侧耦合换热及管外过冷沸腾数值研究

采用两流体欧拉数学模型,结合气相和液相之间的界面传热、传质和动量交换封闭模型以及RPI壁面沸腾模型,利用ANSYS CFX 12.0对蒸汽发生器局部传热管束二次侧的过冷沸腾进行数值研究。数值研究结果与单管内过冷沸腾实验数据对比验证符合良好。结果表明,采用壁面沸腾模型能准确预测沸腾起始点的位置,同时梅花孔板的存在对二次侧流动换热特性影响显著。     

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。      

管束效应对含空气蒸汽冷凝传热影响数值分析

采用数值模拟的方法分析管束效应对管外含空气蒸汽冷凝传热的影响。基于3×3管束,分析了管间距在1.5d~5d（d为管径）范围内的管束效应及管间距对局部和平均冷凝传热性能的影响。在管间距为1.5d条件下讨论了管束结构对冷凝传热性能的影响。结果表明,管束效应包括高浓度空气层的抑制传热作用和管束抽吸效应的强化传热作用。随着管间距的减小,第2类和第3类传热管主要受高浓度空气层的影响,第1类传热管主要受管束抽吸效应的影响。当管间距为1.5d时,第2类和第3类传热管的传热系数分别比单管恶化了6%和29%,而第1类传热管比单管增加了2.5%;在1.5d管间距条件下,管束抽吸效应随管列数的增加而明显增大,导致管束平均冷凝传热系数（hb）逐渐增大。当管列数达到20列时,hb高于单管。      

液态金属钠在环管中湍流传热特性研究

采用高雷诺数(Re)k-ε模型与壁面函数法对液态金属钠在环管中湍流流动传热特性进行计算,并与实验结果进行比较,结果表明计算值与实验结果符合较好。应用该方法研究湍流程度、加热条件、几何条件等因素对液态金属钠在环管中湍流传热特性的影响。研究表明,湍流程度对传热的影响主要集中在流道前半段,后半段分子扩散对传热的影响逐渐凸现出来,使不同湍流程度下传热特性的区别逐渐缩小;初始温度与加热热流密度对传热特性无明显影响;环管间隙增大,湍流传热效果增强,同等间隙时管径变化对传热特性无明显影响。     

液态铅铋合金在绕丝燃料棒组件子通道间湍流交混数值模拟

液态铅铋合金（LBE）是第四代液态金属核反应堆候选冷却剂,由于LBE热物性具有一定的特殊性,亟待对LBE在燃料组件子通道中的流动与传热过程开展研究。本文对LBE在带绕丝燃料棒组件中湍流流动进行数值模拟与分析,将燃料棒壁面温度的数值模拟结果与响应的实验数据相比较,2者具有较高的吻合度,说明数学模型及数值结果具有较高的可靠性与准确性;使用湍流交混系数β表征LBE在不同子通道间、不同燃料棒间隙宽度与燃料棒直径比（S/D）结构下的湍流交混情况,结果表明,不同子通道间β波动程度具有差异性,β的大小与S/D呈负相关。基于不同S/D与雷诺数的计算结果,拟合出不同子通道间β关联式,为绕丝燃料棒三角形排列方式的燃料组件子通道分析程序开发提供交混模型。      

螺旋管束流体弹性不稳定

螺旋管式蒸汽发生器由于其结构、换热性能等方面的优点在快堆和高温气冷堆中被广泛采用。本文在螺旋管束流动诱发振动实验研究的基础上，根据所获得的螺旋管束在横向气流冲刷下的实验数据，和美国阿贡实验室Ｓ．Ｓ．Ｃｈｅｎ在横向水流冲刷下的实验数据，建立了螺旋管束流体弹性不稳定的半经验模型和可供实际应用的设计准则。     

液态金属钠沸腾两相流动传热特性理论研究

在实验的基础上对液态金属钠沸腾两相流动传热特性进行理论研究。计算对象为环形流道。单相流动区域认为液态金属钠不可压缩;两相流动区域考虑钠蒸汽的可压缩性。两相流动区域选用均匀流模型,求解过程中采用迎风格式进行积分。将模型计算结果与相关实验数据进行对比,结果表明本文模型可用于计算液态金属钠沸腾两相流动传热特性,模型计算结果在一定程度上能完成对实验工作的拓展。