URANS与LES对带分裂式交混叶片定位格架5×5棒束通道流场数值模拟研究

利用非定常雷诺平均纳维斯托克斯模拟（URANS）和大涡模拟（LES）对带分裂式交混叶片定位格架5×5棒束通道流动特性进行了研究。数值计算中建模考虑了格架条带、交混叶片等几何结构对流场的影响,并将模拟结果与MATiS-H基准实验进行了对比。结果表明,URANS与LES均能较好地模拟格架下游3个流速分量时均值;对于格架下游流速分量脉动值,URANS中非定常SST k?–?ω模型几乎不能够模拟出流速脉动值,非定常RSM模型对于流速脉动值模拟比实验值偏低。与URANS相比,LES能相对较为准确地模拟流速脉动值,然而LES对格架附近流速脉动值模拟结果与MATiS-H基准实验相比仍然偏低。      

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。      

脉动流下棒束通道内流场与湍流特性的PIV实验研究

事故条件下路基核反应堆以及受到海洋条件附加惯性力影响的浮动核反应堆一回路冷却剂会处于非稳定流动状态,进而改变冷却剂的流动和传热特性,影响反应堆的安全运行。本文应用锁相粒子图像测速（PIV）以及折射率匹配技术分别对脉动流条件下有无定位格架棒束通道内瞬时速度进行了测量。实验结果表明：对于不带定位格架的棒束通道,加速使得靠近通道壁面附近流体速度变大,而靠近中心区域流体速度变小。此外湍流强度分量随流体加速而逐渐变小,随流体减速而逐渐增加。对于流向压力梯度驱动的周期性脉动流,横向脉动速度均方根分量u′滞后于流向脉动速度均方根分量v′,且二者都滞后于流速的变化;对于带定位格架的棒束通道,带有搅浑翼的定位格架强烈的交混作用极大地减小了流体加速度对棒束通道内速度分布和湍流强度带来的影响。实验结果有助于更加清晰地揭示脉动流在棒束通道中的作用机理。     

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。     

脉动流下定位格架下游时均流场分布特性研究

研究流量波动下棒束通道内定位格架下游瞬时流场演变特性对于揭示海洋条件下燃料组件内流动换热机理具有重要意义。本文应用粒子图像测速（PIV）技术获得了脉动流下棒束通道内定位格架下游时空演变流场结构,分析了脉动参数（脉动周期和脉动振幅）对定位格架下游速度分布和湍流特性的影响。结果表明,脉动流下定位格架下游时均速度与定常流动下时均速度差异较小,且基本不随脉动振幅和脉动周期变化而变化;脉动流下的定位格架下游横向速度和轴向速度均方根与定常流动下的速度均方根存在明显差异,且随脉动参数变化呈现出不同的变化趋势。本文研究结果有助于揭示燃料组件在非稳态条件下瞬态特性,并为燃料组件的设计和优化奠定基础。      

棒束内湍流流动特性的PIV与CFD研究

在压水堆燃料组件的定位格架下游,局部扰动沿流动方向逐渐衰减,流场最终趋于稳定。光滑棒束区冷却剂的湍流流动和交混特性是影响反应堆经济性和安全性的重要因素,有必要进行深入研究。本文采用粒子图像测速（PIV）与数值模拟(CFD)相结合的方法,对3×3小规模棒束内水的流动特性进行研究,得到了一阶平均流速以及二阶湍流统计信息。结果表明,中心子通道的速度明显高于棒间隙区,但轴向均方根速度呈现出相反的变化趋势。在相邻子通道横向速度梯度的作用下,棒束内出现了大尺度的流量脉动现象,且脉动波长随雷诺数的增加而增大。此外,实验得到的湍流交混系数较压水堆采用的Castellana公式预测值偏高10%左右,这一偏差随雷诺数的增加有减小的趋势。     

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。     

单相4×4棒束流动试验的CFD方法验证

为研究计算流体力学（CFD）方法预测棒束通道内流场分布的准确性,基于网格敏感性分析所确定的网格方案,采用标准k-ε模型（SKE）、可实现k-ε模型（RKE）、标准k-ω模型（SKW）和剪切应力传输模型（SST模型）对单相棒束流动进行模拟,并将横向速度与轴向速度与试验结果进行量化比较。结果表明:4种湍流模型均能较好地预测棒束通道内的流场分布,其中SKE与RKE的在横向速度预测上相对偏差较小,为19.6%;对于近格架区域的横向流场分析,SKE模拟较优,反之RKE模拟较优;对于轴向速度的预测,SKE的相对偏差最小为4.9%;4种湍流模型均低估均方根（RMS）速度,但能够预测棒束通道内RMS速度的分布规律,近格架区域采用RKE,反之SST较优。本文的计算结果可为单相棒束流动CFD分析的最佳实践导则建立提供参考。      

棒束定位格架空气-水两相分布数值模拟

用计算流体动力学程序CFX4．2对棒束定位格架通道内空气．水两相流体三维流动进行了数值模拟。在计算中，采用了考虑界面横向效应的两流体模型，用该模型计算模拟了通道的l/4区域和定位格架交混叶片．获得了流体区域的两相流速和相分布；并分析了定位格架交混叶片对流动和相分布的影响。结果表明．带定位格架棒束流道内空气-水两相流动数值模拟基本合理．该方法可用来初步分析复杂通道内的两相流动。     

基于图像算法的棒束通道流动交混研究

反应堆燃料组件内冷却剂流动特性是反应堆热工安全分析重要内容,本文针对带定位格架的棒束通道内可视化实验图像数据,基于图像算法对棒束通道内流动交混现象进行了定性与定量的分析,为堆芯热工水力及安全分析提供参考。从数据验证、规律总结、机理分析3个层面上提出了图像处理方法,并采用这些方法对棒束通道内实验数据进行了分析,分析结果表明:定位格架下游流体的流动交混在5 cm开始逐渐缓和;Canny算子适用于定位格架湍流图形的边缘识别。