基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。     

一种稳定性增强及高精度数值方法在RELAP5中的实现与评价

在计算稳定性的改进方面,修正RELAP5程序中的虚拟质量力(Virtual mass force)形式,同时添加了新的界面压力项(Interface pressure);在计算精度的改进方面,采用具有总变差减小(Total variation diminish,TVD)特点的高精度通量限制器(Flux limiter)方法取代RELAP5程序原本的一阶迎风方法来离散质量和能量守恒方程中的对流项。在模拟水平管道内空泡份额微扰随时间发展的数值实验中,相比改进前的RELAP5,改进后的RELAP5计算得到的微扰幅度并未增长;在模拟液相沉降的数值实验中,改进前的RELAP5程序计算得到了不真实的空泡份额分布,而改进后的RELAP5在不同的网格数量下能够得到收敛的稳定解。对Ransom水龙头数值实验和Marviken CFT 15大破口喷放实验的计算表明,改进后的具有二阶TVD格式的RELAP5程序能够得到更接近实验数据的计算结果。     

环形窄缝通道内流动不稳定性试验研究

设计了加热长度为1800mm，间隙尺寸为1．5mm的环形窄缝通道试验段；以去离子水为上质，进行了强迫循环下两相流动不稳定性试验研究。实验压力为1．5～3．0MPa，质量流量为3．0～25kg／h，加热功率为3．0～6．5kW，进口温度为20℃、40℃、60℃。实验发现，在一定加热功率和进口条件下，回路流量低于特定值，会发生不稳定现象。试验研究了进口过冷度、系统压力和质量流量等参数对不稳定性的影响，得到了环形窄缝通道内强迫循环下两相流动不稳定区间。     

双冷嬗变包层第一壁热工水力特性数值模拟研究

利用CFX程序对聚变驱动次临界堆嬗变包层第一壁在水冷条件下的热工水力特性进行数值模拟和分析。计算选用PWR典型工况下的水,取嬗变包层第一壁的局部模型,考虑了流固热耦合,重点计算分析了在不同壁面热流密度和冷却剂流速条件下冷却剂温度、压降及结构材料最高温度的分布。计算结果显示,当水的入口流速为1～5m/s时,结构材料的最高温度较使用典型工况下的氦气作冷却剂时低16～91K,同时结构材料最大温差降低了12.2%～49.5%。结果表明：水可较好地满足稳态工况下第一壁的换热要求。     

AP1000冷管段小破口失水事故分析

基于压水堆最佳估算程序RELAP5/MOD3.4,对AP1000的冷却剂系统和非能动堆芯冷却系统进行建模分析,得到了系统压力、破口流量、燃料包壳温度等关键参数的瞬态变化,计算结果与西屋公司采用NOTRUMP程序计算的结果基本一致。分析表明：AP1000的非能动专设安全设施能有效地对一回路进行冷却和降压,防止堆芯过热,验证了AP1000发生冷管段小破口失水事故后的安全性。     

钠热管中气液交界质量调节系数的分子动力学研究

钠热管是热管堆内的关键热量传输部件,深入理解内部工质的蒸发与冷凝换热机理对于钠热管的设计优化具有重要意义。本研究用分子动力学软件LAMMPS,结合钠热管的启动和运行工况,模拟了600、700、800、900 K下液态钠薄膜的平衡态蒸发,求解了质量调节系数（MAC）。并在模拟中引入了氩气作为非凝结性气体,研究了非凝结性气体对MAC的影响。研究结果表明,4组工况下的MAC分别为0.388 6、0.211 9、0.261 5、0.241 6;非凝结性气体存在时,MAC分别为0.282 9、0.254 3、0.129 5、0.107 2。本研究为钠热管的数值模拟提供了参考借鉴和理论支撑。     

百千瓦级空间锂冷快堆系统热工安全特性研究

随着深空探测任务动力要求不断提高,空间大功率核电源系统势在必行。本文针对锂冷快堆结合斯特林循环的空间核动力系统,建立堆芯、斯特林发电机、辐射散热器、泵及相关管道模型,基于Fortran语言开发了瞬态系统热工安全分析程序。基于斯特林实验数据,验证了斯特林数学模型的准确性,最大相对误差为17.3%。进而建立空间锂冷电源系统模型,并通过稳态计算值与设计值对比,校核了系统程序模型的合理性,最大相对误差为13.3%。对系统典型事故工况进行瞬态分析,结果表明,由于堆芯整体负反应性反馈,燃料芯块峰值温度在安全限值范围内,系统具有一定安全特性。本文为百千瓦级空间堆热工安全分析提供理论支撑。     

CARR热工水力与安全分析程序TSACC的开发与验证

针对中国先进研究堆(CARR)的具体结构和运行特点,利用Fortran程序设计语言开发了CARR热工水力安全分析程序TSACC(Thermal-hydraulic and Safety Analysis Code for CARR). TSACC完全采用模块化结构设计,便于二次开发,可应用于多种事故工况及其他堆型的分析计算.基于程序验证的基本思想,分别利用TSACC和商用程序RELAP5/Mod3对CARR丧失厂外电源事故工况进行了计算.得到了堆芯平均通道以及最热通道内冷却剂流量、温度和最小偏离泡核沸腾比(MDNBR)等参数的瞬态响应.将TSACC计算结果与RELAP5/Mod3计算结果进行比较、分析后发现:除冷却剂发生倒流前后二者计算结果相差较大外,总体吻合较好.局部值差别较大的主要原因是两个程序在低流速区域选用的换热公式不同.程序验证结果表明了TSACC的准确性和适用性.     

板状燃料元件堆芯热工水力特性分析程序开发及验证

采用Visual Fortran 6.5程序语言,基于质量、动量和能量守恒方程,以及合理的流动传热和物性关系式,开发了板状燃料元件堆芯热工水力特性分析程序.利用该程序计算了IAEA 10MW MTR 基准题中定义的堆芯反应性引入和堆芯失流事故.结果表明:本文计算所获得的停堆时刻功率、燃料芯块最高温度、包壳外壁面最高温度以及冷却剂出口温度与文献的计算结果吻合良好,验证了本程序模型的正确性.     

环形窄缝通道湍流流动换热特性分析

对双面加热环形窄缝通道内单相流动换热进行分析研究,提出了理论预测模型.基于该模型,对窄缝宽度分别为1.0、1.5、2.0 mm的环形通道单相湍流流动换热系数进行了理论计算,并与实验结果进行了对比,理论预测值与实验结果符合较好.研究表明:内外加热热流密度比对环形窄缝通道内的湍流流动换热过程有显著影响,在双面加热情况下,窄缝对流动换热过程强化与否,取决于内外管加热热流密度比及流动状态,即Re大小.