均匀加热全长棒束过冷沸腾工况子通道参数场计算分析

采用壁面热分配模型对PSBT基准题中的5×5均匀加热全长棒束过冷沸腾传热进行了数值模拟研究,分析了均匀加热全长棒束通道中不同子通道和加热元件表面参数沿轴向的发展过程和径向的分布特性。研究发现,角通道和边通道是弱对流区域,其质量流速低于棒束平均值,但由于冷棒功率偏低,消除了流动不均衡性对传热效果的影响。在棒束径向方向,不同位置子通道间参数场存在差异,这是由于位于搅混格架横向导流对角方向的通道具有更有效的通道间对流效果,其传热效果更好。这种流动特性引起的参数差异在角通道中尤为显著。热棒表面过热度明显高于冷棒过热度,且位于非搅混格架横向导流方向的热棒具有更高的壁面过热度。     

5×5全长棒束组件通道过冷沸腾工况下均匀与非均匀轴向功率分布对比分析

压水堆燃料组件结构采用正方形排列的棒束形式,本文采用计算流体力学（CFD）方法对5×5全长棒束中过冷沸腾传条件下的均匀轴向功率分布（U-APD）和非均匀轴向功率分布（Non-U-APD）工况进行了热工水力性能对比分析。分析结果表明,所采用的壁面沸腾模型、相间作用力界面力模型和气泡尺寸分布模型能够较好地预测5×5全长棒束组件通道过冷沸腾工况的传热过程。通过对比发现Non-U-APD工况下,棒束通道内平均空泡份额起始点较均匀加热工况提前,增长速度较U-APD工况更快。在子通道平均值方面,Non-U-APD工况下角通道末端平均空泡份额要高于U-APD工况,而中心通道基本相同。Non-U-APD工况下,在第5个和第6个搅混格架（MVG）下游,文中所分析的角通道和中心通道的液相质量流速逐渐低于U-APD工况。      

带格架四棒束超临界水流动传热数值分析

棒束内超临界水流动传热是超临界水堆堆芯热工水力研究的重要内容,但对其认识还十分有限。本文针对四棒束内超临界水的流动传热现象开展数值模拟,特别分析了定位格架对棒束通道内流动和传热的影响。结果表明,采用SSG湍流模型计算所得到的棒束壁面温度和实验结果吻合良好,定位格架的存在影响下游流体的速度分布,显著提高格架下游的传热特性,交混系数有大幅上升,使得加热棒周向壁面温度分布更加平均,最高温度出现位置发生改变。     

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。      

压水堆燃料棒束通道内过冷沸腾分析

使用Fluent14.5两流体模型中的RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)壁面沸腾模型,对堆芯燃料棒束通道内过冷沸腾现象进行数值模拟,得到了通道内的流场、温度场以及空泡份额的分布,分析了定位格架和搅混翼的存在对热工水力特性的影响。数值结果表明,格架的存在会造成很大的压降,而搅混翼会对流场、温度场和空泡份额分布产生显著影响;RPI壁面沸腾模型的模拟结果与Bartolemei试验数据符合很好。     

自然循环系统摇摆条件下棒束通道内传热特性研究

棒束燃料元件子通道间流体存在搅混与横向二次流,流动及阻力特性相较矩形通道、圆管等简单通道更为复杂。核动力舰船、船舶、小型浮动核电站等会受到海浪影响,经常处于倾斜、摇摆、垂荡等瞬变运动下。目前的相关研究多集中在低压工况的研究领域,高温高压自然循环运动条件下的研究较少。本文采用实验研究方法,对自然循环系统摇摆条件下棒束通道内流动传热特性进行了研究,获得了过冷沸腾和饱和沸腾两种条件下摇摆角度和摇摆周期对棒束壁面温度变化和传热系数的影响,并获得了摇摆周期内棒束通道内的传热系数计算关系式。结果表明,饱和沸腾传热系数变化比过冷沸腾的剧烈;在本文实验工况范围内,棒表面传热系数波动幅值随着摇摆幅度的增大而增大;摇摆条件下棒束通道过冷沸腾和饱和沸腾工况时均传热系数基本不变。     

反应堆棒束通道搅混翼数值研究

定位格架上的搅混翼是核反应堆燃料组件中的关键部件,其性能对棒束通道热工水力特性有重要的影响。以带单层定位格架的5×5棒束为研究对象,对搅混翼排布方式及末端形状对格架下游的流场和温度场的影响进行数值模拟研究。计算结果表明,改变搅混翼的排布方式,压降几乎不受影响,但格架下游流场和传热情况却因排布方式的改变而发生显著变化;将搅混翼末端形状改为弧形,压降较典型撕裂型搅混翼没有明显差异,但换热情况得到明显改善。      

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。     

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。     

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。     

含弯曲棒的全长燃料棒束沸腾传热CFD计算分析

采用计算流体动力学（CFD）分析方法模拟了含一根弯曲燃料棒（简称“弯曲棒”）的5×5全长燃料棒束内的沸腾传热现象。基于欧拉两流体模型和改进的壁面沸腾模型进行计算,并基于压水堆子通道和棒束实验( PSBT )基准题中的试验数据对计算方法进行了验证,计算所得截面平均空泡份额与试验数据吻合良好,说明了现有计算方法的可靠性。基于计算结果考察了弯曲棒对棒束通道内流场、温度场、空泡份额等关键参数的影响。研究结果表明,弯曲棒的存在对截面横向流动、流体温度、空泡份额等均未产生显著影响,但弯曲棒表面温度增加,气泡也易发生聚集,增加了发生临界热流密度（CHF）的风险。      

非能动余热排出换热器池沸腾换热性能研究

以浸没在高位水箱中的竖直管束为研究对象,对不同热负荷条件下竖直管束的池沸腾换热特性进行研究,通过对比中心管与周围旁管外壁面过热度、凝液量的变化,分析了中心管与旁管换热特性的差异。实验结果表明,换热管束的换热能力明显优于单管,在相同热流密度条件下,管束沸腾换热系数可达到单管的1.2～1.5倍。与旁管相比,低热负荷条件下,中心管的换热能力优于旁管;高热负荷条件下,中心管的换热能力则不及旁管,在热流密度大于200 kW/m²时,旁管的沸腾换热系数相对于中心管提高了近7%,且从实验数据的变化趋势来看,旁管较中心管的沸腾换热能力有随热流密度增加而逐渐增大的趋势。     

管内过冷流动沸腾CFD模型参数敏感性研究

采用CFD方法对燃料组件进行过冷流动沸腾数值模拟研究是反应堆热工水力分析的一项重要内容。本研究使用STAR CCM+基于欧拉双流体模型结合壁面沸腾模型对管内过冷流动沸腾进行数值模拟,得到了壁面温度、主流温度及空泡份额的分布。基于实验结果对网格模型、湍流模型、壁面沸腾模型及相间作用力模型的参数设置进行了敏感性分析。研究结果表明,对于欧拉双流体模型,并非网格量越多结果越准确,加热面第1层网格的高度对结果影响显著。湍流模型和曳力模型对计算结果影响较小,非曳力中的湍流耗散力及升力对结果影响较大。Li Quan或Hibiki Ishii汽化核心密度模型与Kocamustafaogullari气泡脱离直径模型组合对壁面温度及空泡份额的计算较准确。本研究可为反应堆燃料组件内过冷流动沸腾数值模拟提供参考依据。     

RELAP5/MOD3.2竖直管束外大容积沸腾换热模型适用性分析

以浸没在大容积水箱内的非能动余热排出换热器为研究对象,采用实验数据对RELAP5/MOD3.2程序计算竖直管束外大容积沸腾换热适用性进行校核。在充分考虑大容积水箱内流体沿管束轴向的自然对流以及径向的气液间热量交换基础上,合理建立了沸腾换热回路节点划分模型。将计算结果与实验数据进行对比,发现沸腾换热系数的计算值与实验值最大相对偏差在50%以上,且沸腾换热系数随热流密度变化的趋势明显不同。由此判断,Chen关系式并不适合计算竖直管束外大容积沸腾的情况。通过与已有的大容积沸腾换热计算关系式对比,发现Kutateladze “new”公式或Rohsenow公式计算值与实验值符合较好。     

超临界水冷堆类三角形子通道流动传热特性研究

基于类三角形子通道超临界水的传热试验,建立了超临界水冷堆三角形子通道物理模型。采用雷诺应力湍流模型SSG,在压力为23～28 MPa、质量流速为700～1300 kg/(m²•s)、热流密度为200～1000 kW/m²参数范围内,对棒径8 mm、栅距比为1.4的子通道内超临界水流动与传热特性进行了数值研究。分析了系统参数对流动和传热特性的影响,对比了不同焓区的二次流特性。结果表明：采用SSG模型对超临界水冷堆三角形子通道内流动传热的CFD模拟结果与试验数据较吻合。质量流速越高,传热能力越强;子通道换热系数峰值随压力的提高而减小;热负荷越高,内壁温度越高;在大比热容区换热系数峰值随热流密度的增大而明显减小,传热存在恶化趋势。超临界区子通道内在与主流垂直方向形成了明显的二次流,存在6个对称的漩涡,二次流速最大值出现在子通道窄缝区间隙。通道内不同焓区二次流结构相似,但二次流强度随焓的提高而增大。