基于CFD方法的铅铋冷却燃料棒束的热工水力特性分析

铅铋冷却快堆作为第4代反应堆候选之一具有安全性高等特点,研究其在正常工况下的热工水力特性具有重要意义。本文基于商用计算流体力学（CFD）软件STAR-CCM+,使用流固耦合的方法对带有绕丝结构的19棒束铅铋组件进行数值分析,探究了质量流量、功率等边界条件对组件内部流动传热特性的影响。模拟计算结果表明：CFD方法在子通道中心温度和壁面温度预测上与实验结果取得了较好的一致。同时,绕丝结构的存在使得子通道之间存在周期性的横向交混,并使得棒束表面温度呈现震荡。随质量流量的增加,子通道间横向交混增大。功率变化对通道间的横向交混速度的影响较小,冷却剂温度的横向分布无明显差异。     

基于CFD方法的铅铋冷却燃料棒束的热工水力特性分析

铅铋冷却快堆作为第4代反应堆候选之一具有安全性高等特点,研究其在正常工况下的热工水力特性具有重要意义。本文基于商用计算流体力学(CFD)软件STAR-CCM+,使用流固耦合的方法对带有绕丝结构的19棒束铅铋组件进行数值分析,探究了质量流量、功率等边界条件对组件内部流动传热特性的影响。模拟计算结果表明:CFD方法在子通道中心温度和壁面温度预测上与实验结果取得了较好的一致。同时,绕丝结构的存在使得子通道之间存在周期性的横向交混,并使得棒束表面温度呈现震荡。随质量流量的增加,子通道间横向交混增大。功率变化对通道间的横向交混速度的影响较小,冷却剂温度的横向分布无明显差异。     

快堆燃料组件棒束通道内流动和传热现象分析与研究

利用三维计算流体力学软件CFX 12.0对由7根带螺旋状定位绕丝的燃料棒组成的快堆燃料组件典型棒束通道内的流动和传热现象进行了数值模拟。模拟得到不同Re下的压降系数曲线与Nu曲线,并将计算结果与经验公式的计算结果进行了比较,两者符合较好。研究了组件内3类典型子通道的横向流交混效应,分析了3类典型子通道的横向流分布特点,发现角子通道横向流交混强度沿轴向波动较大,而3类子通道的横向流交混强度均存在周期性。研究了中心燃料棒壁面上3个截面的局部换热效应,发现在燃料棒与绕丝接触处传热效果最差,在事故分析时应重点关注。     

铅铋冷却快堆含绕丝燃料组件子通道程序开发与验证

由于铅铋冷却剂流动传热现象的复杂性,准确计算铅铋冷却含绕丝燃料组件的冷却剂和包壳温度是液态金属冷却快堆燃料组件热工分析的重点。本文基于集总参数法对守恒方程进行求解,开发了适用于铅铋冷却快堆的子通道分析程序,对液态铅铋在棒束燃料组件中的摩擦阻力模型、湍流交混模型和对流换热模型进行了适用性分析,并对7棒束大涡模拟和19棒束含绕丝传热实验进行了对比验证。结果表明：包壳和冷却剂温度的最大相对误差低于5%。程序能较好完成铅铋冷却含绕丝燃料组件的热工水力计算,可为铅铋冷却快堆设计提供支持。     

钠冷快堆燃料组件热工水力特性数值模拟与分析

利用CFD程序CFX,分别对7、19、37、61根棒组成的三角形排列螺旋绕丝定位的钠冷快堆燃料组件棒束通道进行了热工水力特性的分析研究,并将结果与子通道程序SuperEnergy进行了对比验证。重点考察了棒束通道轴向流动分布、横向流交混效应及子通道轴向温升,分析了定位绕丝的影响。结果表明,绕丝对棒束通道的横向流交混效应、轴向流动分布及子通道温升有着重要影响,且随棒束的增多,通道内的流动趋向复杂化,轴向流动不均匀性有升高趋势。     

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。      

5×5螺旋十字型棒束组件阻力与交混特性实验研究

本文对5×5螺旋十字型棒束(HCF)组件进行热工水力实验,获得了HCF组件的阻力系数和交混系数。测量了螺旋十字型棒束组件的沿程压降,并拟合了阻力系数关系式。基于能量平衡法对HCF组件的交混特性进行了分析。将低温水直接注入棒束组件的子通道中,通过测温导管将T型热电偶固定在子通道的中心位置,并测量了各子通道内的水温分布。HCF组件内的横向交混由湍流交混和流动后掠组成,定义等效交混系数来分析HCF组件内的横向交混率。HCF组件的等效交混系数不随雷诺数的增加而明显变化,其均值为0.019。将等效交混系数输入子通道分析程序Cobra-tf中,计算了子通道内的水温分布。结果表明,水温分布的实验值和计算值符合良好,平均偏差为0.16 ℃。     

带绕丝燃料组件在铅铋介质下的阻力特性实验研究

基于KYLIN-II热工强迫循环实验回路,对CLEAR-I单盒燃料组件1:1模型组件在铅铋介质中的流动阻力特性进行实验研究。研究表明:组件整体压降实验值与设计值吻合较好,相对偏差在6%以内。对绕丝棒束段的摩擦阻力系数与Novendstern、Rehme公式进行对比,Novendstern模型更适用于本实验棒束结构的压降计算;基于雷诺相似准则与前期水介质下的阻力系数对比,发现相同雷诺数下水介质下的阻力系数明显偏大,其原因为相同雷诺数下绕丝在水介质中引起的二次横流强度大于铅铋介质下的情况。     

紧密排列燃料组件交混系数试验研究

单相及两相工况下的交混系数是燃料组件热工分析、特别是子通道分析的一个关键参数。本文介绍19根棒束绕丝结构紧密排列燃料组件交混系数单相试验的试验本体结构、试验内容、试验方法及试验结果。试验研究获得了燃料组件出口温度分布及紧密排列燃料组件交混系数,最后对试验结果、交混系数值以及热工参数对交混系数的影响等进行分析。     

中国铅基研究实验堆绕丝燃料组件热工水力分析

在铅基研究反应堆燃料组件设计中,燃料棒之间的绕丝可减少燃料棒在运行过程的机械振动,并使冷却剂在各子通道间有效混合,对绕丝燃料组件内冷却剂的热工水力分析将对燃料组件的设计与优化具有重要意义。本文通过CFD方法对中国铅基研究实验堆(CLEAR-Ⅰ)燃料组件参考设计内的冷却剂流动换热过程进行数值模拟,并分析绕丝组件的速度场、温度场等流场特征量的分布规律。结果表明:绕丝在流场中起着搅混冷却剂的作用,内通道搅混较外通道相对均匀;组件内横向流强度、摩擦系数在入口段先迅速变化,后在充分发展区呈波浪状在其平均值上下波动,努塞尔数变化规律与之类似;包壳最高温度满足安全设计限值。     

铅铋冷却快堆子通道热工水力初步数值分析

为探索铅铋冷却快堆子通道的热工水力特性,自主研发了SACOS-PB子通道程序。本工作以矩形通道9根棒束组件为例,使用SACOS-PB程序对铅铋冷却快堆子通道的温度场进行了模拟分析,并用CFX软件进行验证。结果显示,SACOS-PB程序计算结果与文献值比较符合,与CFX软件计算结果符合度也较高。使用SACOS-PB程序分析比较了3种组件结构,表明在铅铋冷却快堆中更适宜使用六边形通道,为进一步对铅铋冷却快堆子通道进行热工水力特性分析奠定了基础。     

含绕丝2×2棒束内超临界水传热特性数值研究

超临界水冷堆燃料组件多采用稠密栅格布置,用绕丝进行定位,绕丝可增强通道间的交混能力,对通道的换热特征会产生明显影响。以含绕丝的小棒束2×2组件为分析对象,采用计算流体动力学(CFD)方法分析超临界条件下绕丝对换热特征的影响。分析结果表明:绕丝会改善通道的换热能力,抑制周向不均匀分布,但也可能在局部产生壁温峰值。在数值计算中发现壁温峰值的成因有两类,并对二者的成因进一步叙述,分析绕丝结构参数对换热特性的影响。     

含绕丝棒束内横向流动的可视化实验与数值模拟研究

螺旋绕丝是第4代先进核反应堆燃料组件的定位装置之一,冷却剂在绕丝作用下发生定向交混和周期性横流,是影响燃料元件包壳温度的重要因素,有必要进行深入研究。本文采用粒子图像测速法对含绕丝7棒束内水的横向流动进行实验测量,得到了横截面整体速度分布和局部流动特性,并利用STAR CCM+软件进行了稳态数值模拟,分析了无量纲横向流速的变化规律。结果表明,棒束内存在整体环流和若干局部涡流,大尺度涡出现在棒和内壁附近,小尺度涡出现在棒和绕丝附近。随着雷诺数的增大,横向流动规律基本一致,但速度大小呈线性增长趋势。湍流模型敏感性分析表明,雷诺应力-椭圆混合模型对流场的预测与实验数据最为接近。横向流动具有明显的周期性,对于所选定的棒束结构,最大横向流速约为轴向流速的25%,且在绕丝经过棒间隙时出现突变。     

基于双区域模型的钠冷快堆组件子通道分析程序的开发与验证

子通道分析程序是钠冷快堆堆芯热工水力设计和安全分析的重要工具。本文为计算和分析钠冷快堆组件在径向均匀与倾斜功率分布工况下的热工水力特性,利用双区域绕丝交混模型开发了一款适用于钠冷快堆组件分析的子通道程序SPLICA,并与FFM2A 19棒束实验数据与WARD 61棒束实验数据进行了对比验证。由于本文开发的子通道分析程序SPLICA使用了详细的绕丝交混模型,与经过二次开发后的COBRA程序的计算结果相比,对于FFM2A实验SPLICA程序计算得到的结果与实验结果符合得更好。这两个实验数据的验证结果证明了本文开发的子通道分析程序的准确性以及对高流量工况和低流量工况均具有良好的适用性。本程序能为钠冷快堆组件热工水力分析提供有效的设计和研究手段。     

基于熵产分析的铅-铋冷却带绕丝燃料棒束热工水力特性研究

为了从设计和运行的角度对铅-铋冷却快堆燃料组件的热工水力特性进行分析,基于有限体积法对铅-铋冷却的19根带有绕丝结构的燃料棒束进行数值模拟。对于不同质量流量、热功率下燃料组件流动及传热特性展开分析。并通过熵产分析方法,对不同工况下冷却剂熵产特性及热力学不可逆性进行研究。结果表明：二次流以及熵产分布在轴向上均呈现出周期性变化;入口速度是影响二次流以及熵产分布的主要因素;在保证结构安全的前提下,适当增加冷却剂流速有利于提高冷却剂的热经济性能。     

棒束通道单相和两相交混模型评估

本研究利用子通道程序,基于已有的实验数据,对棒束通道的单相和两相交混模型进行了评估。单相交混主要考虑横流和湍流交混,横流由守恒方程决定并在流量分布中占主导作用,湍流交混取决于交混系数,对湍流交混研究发现Sadatomi模型预测结果与实验结果吻合较好。两相交混由横流、湍流交混和空泡漂移共同作用,通过已有模型预测结果与实验数据对比分析,推荐两相交混中空泡漂移采用Hotta模型、湍流交混系数采用Sadatomi模型和两相乘子采用Beus模型,这是一个预测结果较为保守的组合模型,有利于反应堆安全的保守性评估。      

堵塞条件下紧密栅湍流交混特性研究

开展堵塞工况下紧密栅内流体子通道间隙湍流交混研究,对事故工况下燃料组件热工水力行为的预测具有重要意义。本文采用CFD方法对紧密栅内堵塞工况的流体流动现象进行了模拟,模拟结果与相关文献结果吻合较好。进一步对比分析了不同堵塞工况下,堵塞段及堵塞下游的速度场、涡结构以及湍流交混系数分布。所得不同堵塞工况下的横向与轴向湍流交混系数变化规律,可为子通道分析程序的参数设置提供参考。     

方形子通道内超临界流体流动传热CFD分析

国际上对超临界水冷堆进行了大量的研究,但对其堆芯内超临界流体流动传热特征的认识还十分欠缺.本研究采用CFX软件对典型超临界反应堆燃料组件子通道内的超临界热工水力特征进行了数值分析.研究了流动参数、边界条件和节径比(P/D)对子通道间交混现象和传热特性的影响.计算结果表明:燃料组件外围壁面子通道比内部子通道的湍流交混强烈;稠密栅格的湍流交混比宽栅格的湍流交混小.当P/D>1.2后,P/D比对湍流交混影响不再明显.研究还发现,在拟临界点附近区域,出现湍流交混系数的突变.     

燃料组件堵流工况下铅铋-氩气两相流的传热压降特性分析

带绕丝燃料组件的堵流事故是铅冷快堆安全分析的重要工况之一。由于在铅铋自由液面处的气体夹带或在气体增强自然循环条件下存在铅铋-氩气的两相流情况,可能引起燃料组件堵流工况下的局部热工水力特性变化。本文通过计算流体力学软件Fluent,对带绕丝19棒束燃料组件进行建模,模拟分析了堵流工况下的铅铋-氩气两相流传热压降特性,并对两相流模型进行了对比验证,对入口雷诺数、堵块孔隙率、氩气气泡直径等因素进行参数敏感性分析。结果表明：在堵流条件下氩气气泡的流动行为包括逃逸、耗散和受限,在气相体积分率较高的区域会产生局部微正压及过热现象。研究结果可为铅冷快堆堵流事故的安全分析提供参考。     

子通道分析中的湍流交混研究综述

在子通道分析中,湍流交混是冷却剂通道间横向交混的重要组成部分,是由于流体脉动时自然涡团扩散引起的非定向交混。湍流交混的强弱程度将影响通道的局部热工参数,从而影响临界热流密度的预测,是反应堆热工水力设计与分析重点关注的对象。本文针对湍流交混的相关研究进行了综述,包括机理与模型、湍流交混系数、实验方法、计算流体动力学(CFD)方法和子通道软件中的模型等,可作为自主化燃料组件设计和自主化子通道分析软件开发的参考。