搅混翼对棒束通道流动特性影响PIV实验与数值模拟研究

作     者：康佳元 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨立新

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 082701[工学-核能科学与工程] 

主      题：粒子成像测速 反应堆热工水力 定位格架 搅混翼 计算流体力学(CFD) 

摘      要：定位格架是燃料组件内支撑固定燃料棒的装置,同时其搅混翼等部件对于燃料棒发热段内的流场分布、演变及流动换热特性具有深远的影响,从而对于提高压水堆燃料组件内临界热流密度具有至关重要的作用。本文采用PIV流场测量和CFD数值模拟相结合的方法,系统的开展了定位格架搅混翼对棒束通道流场特性影响的研究。实验研究首先建立了高流量的水循环实验系统,在此基础上搭建了棒束通道横向流场PIV测量系统与轴向压降测量系统。其次使用3D打印技术制备搅混翼格架,并以放大的2×2格架与子通道为研究对象,进行了搅混翼结构与雷诺数工况对棒束通道内横向流场与轴向压降影响的实验研究,最终获得了搅混翼类型、折弯角度以及雷诺数对横向流场分布演变特性与轴向压降特性的影响规律。实验结果表明,各类型搅混翼的格架都会在棒束子通道产生明显的横向流动和涡旋流动,但是不同搅混翼类型下游的横向流场与轴向涡旋的分布形式差异较大,且增大搅混翼折弯角度与雷诺数工况,格架下游的横向速度与轴向涡量随之增大。数值模拟研究首先建立与实验研究对象完全一致的CFD模型,应用STARCCM+软件对实验典型的单一工况进行数值模拟计算,将模拟结果与实验结果进行对比,对模拟所用的网格模型及湍流模型进行验证。之后在数值模拟计算中将加入热边界条件,对所有实验工况进行模拟计算,将模拟结果与实验结果进行系统的对比,验证并给出了搅混翼的类型、折弯角度与雷诺数对流场特性的影响规律,对比结果表明数值模拟结果与实验结果吻合较好。随后通过涡流搅混因子、湍流强度因子更详细的阐述了棒束通道内复杂流场的特性,结合沿程压降和努塞尔数综合分析了不同翼型、不同折弯角度和不同雷诺数情况下流场特性与压降特性对换热特性的影响规律。结果表明,涡流搅混因子的增大有利于子通道内部的强化换热,分开式搅混翼具有高换热强度与低压力损失的优良性能,且雷诺数与搅混翼折弯角度越大,棒束子通道内对流换热强度越大,但是与此同时也会造成更多的压力损失。论文工作充分结合了PIV流场测量方法和CFD数值模拟方法,对带搅混翼格架的棒束通道内的流场特性、压降特性以及换热特性进行了研究,获得了搅混翼类型、折弯角度和雷诺数对这些特性的影响规律,为PIV在棒束通道流场测量的应用积累了经验,为CFD计算的准确性提供了实验依据,研究的成果为今后搅混翼的优化设计以及燃料组件热工水力性能的提高奠定了基础。