有界域轴向流动中棒束流致振动和稳定性研究

基于Ｃｈｅｎ有界域静止流体中棒束流致振动数学模型,给出了棒束稳定分析的数值方法。作为应用研究,分析了有界域轴向流动中棒束（４根）流致振动的特性及稳定性,给出了不同条件下轴向及横向的振型。     

不同约束条件和几何参数对有界域轴向流动棒束稳定性的影响

基于有界域轴向流动中棒束流致振动数学模型和棒束稳定性的分析方法,作为应用研究,分析了棒束端约束条件和系统几何参数对系统失稳时临界流速的影响。     

带格架5×5燃料棒束流致振动特性数值研究

核反应堆中,流动的冷却剂轴向冲刷燃料棒可能导致其振动,产生微动磨损,对整个核电厂的安全性以及经济性有重要影响。带格架棒束流致振动特性的研究是微动磨损研究的基础。本文基于欧拉-伯努利（Euler-Bernoulli）梁理论,采用动网格技术,通过Fluent实现流固耦合数值计算,并与不考虑振动耦合时的流场分布进行比较分析。重点分析了湍流强度、轴向速度等主要流体参数对振动位移均方根的影响,以及轴向流中流致振动机理。结果表明：燃料棒的振动位移均方根随着流速的增大而增大;燃料棒径向两侧的压力脉动是造成振动的因素之一;定位格架改变了较大振动出现的位置,明显加强了振动响应。     

超临界水堆燃料棒流致振动简化模型

在超临界水堆中,当超临界水流过带有绕丝的燃料棒时可能诱发其发生振动,使得燃料包壳发生疲劳现象。带有的接触的非线性有限元模型使得计算量大大增加,而且其计算精度仍有待实验验证。本文针对超临界水堆流致振动实验,将绕丝的影响简化为弹簧,建立燃料棒流致振动的简化模型,并通过有限元模型对燃料棒的固有特性进行分析,验证了模型的正确性。最后,以功率谱对模型加载,求得了超临界水堆燃料棒的位移响应和1δ解。     

绕丝定位的燃料棒流致振动机理研究

通过实验和数值模拟的方式对泄漏流影响下绕丝定位的燃料棒流致振动机理进行研究。数值模拟及实验结果表明:由于绕丝的存在,使得流体在棒束通道内的流动存在着较强烈的搅混效应,在流速较小时,相比于通道内流体横向流动对燃料棒的扰动,泄漏流动对燃料棒振动的影响很小;随着流量的增加,泄漏流动对燃料棒振动的影响逐渐增强。影响分为2点:改变了振动能量在频域内的分布,使得高频段的振动能量增加;使得燃料棒振动的位移有效值(均方根值)增大。     

燃料棒束格架不同尺寸条带流致振动实验研究

为了深入认识燃料棒束格架条带流致振动特性，本文采用各种不同尺寸的平直条带进行流致振动实验研究，并获得了条带的流致振动特性。在实验研究范围内，条带的振动响应分为湍流激振与涡激振动2部分。湍流激振响应以条带的一阶模态为主，且条带湍流激振响应随流速的增加而增大。对于涡激振动，实验测得的St数范围在0.2~0.25之间；通过对实验数据进行分析，观察到了锁频现象。对于同一条带，低阶模态锁频范围比高阶的大；对不同厚度条带，随着厚度的增加，同阶模态锁频范围逐渐变小；对不同长度条带，长条带的同阶模态锁频范围比短条带的大。      

落棒过程中的流体-结构横向耦合作用分析

控制棒组件在事故工况下的落棒时间是保证核电站安全运行的重要参数之一。控制棒组件下落过程中弹性结构会与流体发生耦合作用并引起结构的横向振动,较大的横向振动位移会导致控制棒组件与导向管之间发生相互碰撞并影响落棒过程的计算。为了研究落棒过程中的流致振动及摩擦作用,本文将对落棒过程中的流体-结构横向耦合作用进行分析。首先将控制棒与导向管视为弹性体建立了流体-结构横向耦合振动方程,然后将流体力按性质分别进行计算,并考虑了不同导向管间的相互影响。结果表明落棒过程中的摩擦力并不为零,而且地震工况下的摩擦力较大。本文对落棒过程中的流体-结构耦合作用的分析是合理的,可为现有落棒分析模型起到进一步完善作用。     

环形流道热入口区和变化热流的棒束流道中液态金属钠的传热

本文研究在环形流道热入口区以及壁面热流沿轴向变化的棒束流道中液金属钠的传热。首先求解在恒定的壁面热流的环形流道中的能量方程。然后把基本解推广到壁面热流沿轴向变化的棒束流道中。理论结果与实验结果吻合良好。研究结果表明,液钠的热入口效应与普通流体很不相同。     

板型燃料组件额定流速流致振动实验研究

针对贫铀叠层板型燃料组件,采用了一种新的软测量方法,进行了其在经受冷却剂额定流速冲刷时的振动实验。获得了该组件在额定流速6 m/s下的流致振动动态响应时间域和频率域结果,并对实验结果进行了分析。     

上海自由电子激光工程地基振动测试研究

上海自由电子激光(SFEL)工程是国家重大科技基础设施建设项目,束流稳定性的好坏是影响SFEL性能的关键指标,而地基振动是影响束流稳定性的重要因素之一.本文对SFEL工程的地基振动进行了长达450 m、24 h连续测试;对不同位置、不同时刻、不同频段、不同方向的结果进行了详细地分析,并与国外光源的地基振动结果进行了比较,为SFEL工程的建设准备了比较详细的地基振动资料.     

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。     

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。     

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。     

基于MPS算法的2×2棒束结构熔化行为数值模拟

以典型压水堆燃料组件2×2棒束结构为研究对象,建立了含定位格架和不含定位格架的棒束三维模型,基于半隐式运动粒子（MPS）算法对严重事故背景下棒束结构的熔化行为进行了数值模拟,分析了定位格架对棒束熔化过程中流道堵塞进程的影响。结果表明:MPS算法能够较好地模拟棒束结构熔化行为,定位格架会加快堆芯的熔化进程和冷却流道的堵塞速度,本文研究结果有利于严重事故下堆芯熔化模型的优化改进。      

基于丝网传感器的5×5棒束通道空泡分布测量研究

为研究压水反应堆燃料组件棒束通道内的两相分布规律,设计并制造了适用于棒束通道的丝网传感器模块,开展了5×5棒束通道内空气-水泡状流的空泡分布测量实验,分析了棒束通道内空泡份额的分布规律及气泡尺寸对空泡分布的影响。实验结果表明,发生横升力方向反转的小气泡在壁面附近聚集、大尺寸气泡则聚集在子通道中心;常温常压下发生横升力方向反转的临界气泡直径在4~6 mm之间,证明了横升力模型在棒束通道中的适用性。      

Analytical prediction of turbulent friction factor for a rod bundle

An analytical calculation has been performed to predict the turbulent friction factor in a rod bundle. For each subchannel constituting a rod bundle, the geometry parameters are analytically derived by integrating the law of the wall over each subchannel with the consideration of a local shear stress distribution. The correlation equations for a local shear stress distribution are supplied from a numerical simulation for each subchannel. The explicit effect of a subchannel shape on the geometry parameter and the friction factor is reported. The friction factor of a corner subchannel converges to a constant value, while the friction factor of a central subchannel steadily increases with a rod distance ratio. The analysis for a rod bundle shows that the friction factor of a rod bundle is largely affected by the characteristics of each subchannel constituting a rod bundle. The present analytic calculations well predict the experimental results from the literature with rod bundles in circular, hexagonal, and square channels.     

Single-phase convective heat transfer in rod bundles

The convective heat transfer for turbulent flow through rod bundles representative of nuclear fuel rods used in pressurized water reactors is examined. The rod bundles consist of a square array of parallel rods that are held on a constant pitch by support grids spaced axially along the rod bundle. Split-vane pair support grids, which create swirling flow in the rod bundle, as well as disc and standard support grids are investigated. Single-phase convective heat transfer coefficients are measured for flow downstream of support grids in a rod bundle. The rods are heated using direct resistance heating, and a bulk axial flow of air is used to cool the rods in the rod bundle. Air is used as the working fluid instead of water to reduce the power required to heat the rod bundle. Results indicate heat transfer enhancement for up to 10 hydraulic diameters downstream of the support grids. A general correlation is developed to predict the heat transfer development downstream of support grids. In addition, circumferential variations in heat transfer coefficients result in hot streaks that develop on the rods downstream of split-vane pair support grids.     

带定位格架棒束通道内两相流型研究

在空气-水两相流动工况下,将RBI光学探针测得的时序波形和目测相结合,对AFA-2G 33定位格架组成的棒束通道内存在的两相流型进行了识别。通道水力当量直径为8.98mm,元件的棒径为9.5mm,栅距为12.6mm,棒壁距为2.65mm。液相和气相表观速度范围分别为0.40-2.69m/s,0.02-2.99m/s。试验获得了流型图。结果表明,定位格架结构,特别是交混叶片对定位格架附近区域两相流型变化有重要影响,在棒束通道内的同一截面上存在不同种类流型。     

A simple forced diversion model for study of thermal-hydraulic transients in LMFBR subassembly

The generalized simple, transient, integral energy balances based on the average properties for the fuel and cladding have been used in our new multichannel thermal-hydraulic model for calculating the transient behavior of coolant in the rod bundle. This model was developed to provide a simple useful tool for analyzing the flow and thermal transients in a rod bundle with reasonable accuracy, and to understand the fundamental characteristics of flow in the rod bundle under both normal and abnormal condition of reactor-core operation.     

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。