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小型铅铋堆燃料组件子通道热工水力特性研究

哈尔滨工程大学学报 2023年第2期44卷 314-320页

作者：赵海高璞珍孙灿辉章艺林何晓强哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室黑龙江哈尔滨150001 国家电投科学技术研究院北京102209

铅冷快堆因热工水力性能优良而极具潜力,堆芯热工水力分析是保证反应堆安全和经济性的关键。本文通过子通道程序计算得到一种小型铅铋冷却快堆燃料组件热工水力特性,并对该堆的设计参数进行了敏感性分析,探究了燃料棒棒束几何尺寸、冷... 详细信息

铅冷快堆因热工水力性能优良而极具潜力,堆芯热工水力分析是保证反应堆安全和经济性的关键。本文通过子通道程序计算得到一种小型铅铋冷却快堆燃料组件热工水力特性,并对该堆的设计参数进行了敏感性分析,探究了燃料棒棒束几何尺寸、冷却剂入口设计参数对热工水力特性的影响。结果表明:在研究参数范围内,随燃料棒高度增加,包壳最高温度降低;随燃料芯块直径增大,包壳最高温度先降低后增加;随棒心距的增加,冷却剂最高流速降低;冷却剂平均温度随入口流量线性变化,入口流量每增加3.8%,冷却剂平均温度降低约0.7%;包壳最高温度及冷却剂平均温度随入口温度增加近似呈线性增加。本文研究结果可为小型铅铋冷却快堆的优化设计和安全分析提供有益参考。

关键词：小型铅铋堆子通道热工水力特性燃料组件几何尺寸入口参数敏感性分析数值计算

基于环形燃料的低温供热堆热工水力特性数值模拟研究

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原子能科学技术 2022年第S1期56卷 1-9页

作者：何晓军杨世豪胡立强邹远方杨立新中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413 北京交通大学机械与电子控制工程学院热能工程研究所北京100044

为建立低温供热堆热工水力系统的计算流体力学(CFD)仿真模型,针对供热堆堆芯燃料组件结构复杂的特点,采用多孔介质模型对堆芯环形燃料组件进行简化建模,多孔介质的孔隙率、渗透率以及惯性阻力系数通过对1组环形燃料组件精细化CFD模拟结... 详细信息

为建立低温供热堆热工水力系统的计算流体力学(CFD)仿真模型,针对供热堆堆芯燃料组件结构复杂的特点,采用多孔介质模型对堆芯环形燃料组件进行简化建模,多孔介质的孔隙率、渗透率以及惯性阻力系数通过对1组环形燃料组件精细化CFD模拟结果,采用多孔模型进行拟合得到。典型运行工况的计算结果表明:针对复杂几何采用多孔介质模型简化能大幅提高计算的经济性,多孔介质模型能正确反映参数整体分布趋势,堆芯入口最大流量分配不均匀系数为1.07。本文研究结果对基于环形燃料组件的低温供热堆中热工水力安全设计具有参考价值。

关键词：低温供热堆环形燃料组件多孔介质模型热工水力特性

基于开放栅格结构的空间堆三维热工水力特性研究

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核动力工程 2023年第2期44卷 54-61页

作者：王志鹏赵晶石磊清华大学核能与新能源技术研究院北京100084 中国科学院空间应用工程与技术中心太空应用重点实验室北京100094

高温气冷堆结合磁流体发电是一种高效的空间电源系统,可以满足空间任务对于大功率、高效率的需求,具有广阔的应用前景。本文参考美国普罗米修斯计划中的开放栅格方案,结合磁流体发电需满足的设计条件,提出了一种由三角形布置、217根燃... 详细信息

高温气冷堆结合磁流体发电是一种高效的空间电源系统,可以满足空间任务对于大功率、高效率的需求,具有广阔的应用前景。本文参考美国普罗米修斯计划中的开放栅格方案,结合磁流体发电需满足的设计条件,提出了一种由三角形布置、217根燃料棒构成的堆芯方案。在通过试验数据确定流动模型后,对该空间堆进行了三维建模,并在考虑气隙结构、燃料棒功率分布及堆内辐射的基础上研究其热工水力特性,重点针对环境温度及外壁面发射率展开了热工参数敏感性分析。计算结果表明,该堆芯热工设计满足材料温度、压降限值等指标要求。冷却剂在燃料区横向流动不明显,不存在复杂涡结构,流动现象相对较为简单。稳态热工计算结果对环境温度的改变并不敏感,但发射率的改变影响相对较大。

关键词：空间核动力棒状燃料热工水力特性敏感性分析

反应堆燃料棒表面污垢对堆芯热工水力特性影响研究

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反应堆燃料棒表面污垢对堆芯热工水力特性影响研究

作者：邓日宁华南理工大学

学位级别：硕士

核反应堆燃料包壳是燃料芯块与冷却剂间换热的主要介质,并且燃料包壳作为反应堆的第一道安全屏障,保证其长期安全、高效运行至关重要。燃料棒表面污垢在反应堆运行中不可避免,由于表面污垢的结构特殊性,在不同阶段下的表面污垢对堆芯的... 详细信息

核反应堆燃料包壳是燃料芯块与冷却剂间换热的主要介质,并且燃料包壳作为反应堆的第一道安全屏障,保证其长期安全、高效运行至关重要。燃料棒表面污垢在反应堆运行中不可避免,由于表面污垢的结构特殊性,在不同阶段下的表面污垢对堆芯的热工水力特性有着不同的影响,具体的影响机理尚未明晰,对于表面污垢可能带来的具体传热特性影响及燃料包壳表面腐蚀等负面影响缺乏统一定论。因此,有必要建立一套表面污垢存在的情况下影响堆芯热工水力特性的机理模型。本文进行了数值模拟与实验研究两方面的工作,数值模拟使用子通道热工水力分析程序,实验研究开展流动沸腾可视化实验研究,主要内容如下:在子通道热工水力分析程序数值模拟方面,对子通道内置临界热流密度预测模型进行修改,结合燃料棒表面污垢的表面特性,提出考虑表面污垢存在影响堆芯热工水力特性的临界热流密度预测模型,对比不同事故工况下的关键热工水力参数差异。结果发现,包壳温度的突变点被推迟了0.7秒,与不考虑表面污垢层的影响相比,表面污垢对换热能力具有增强效果。这结果表明,在低压瞬态事故下,应考虑传热的增强,有了表面污垢层,可以减轻事故造成的影响。对比平均空泡份额的差异,发现表面污垢层可以使核沸腾提前发生,这意味着考虑有表面污垢层的燃料棒事故恢复比无表面污垢层的燃料棒快。在流动沸腾可视化实验方面,本文设计并搭建了常压下的流动沸腾可视化实验台架,设计模拟燃料棒表面污垢方法与搭建沉积装置,采用逐层沉积二氧化硅纳米颗粒的方法模拟燃料棒表面污垢形成,并对沉积的表面进行主要表面形貌参数测量。随后开展常压下的流动沸腾实验,研究不同厚度的模拟表面污垢沉积层对流动传热特性及汽泡动力学特性的影响。结果发现,具有表面污垢的实验样片流动传热能力增强,临界热流密度更大,最大临界热流密度增强可达118.99%;汽泡动力学分析主要关注汽化核心密度、汽泡脱离频率与汽泡脱离直径随壁面过热度的变化规律,将实验结果与现有的预测模型进行比对。采用能量平衡分析汽泡生长过程,提出改进的汽泡脱离直径预测模型,并与具有不同程度的模拟表面污垢沉积层的实验数据进行比对。本文基于子通道数值模拟以及实验研究两种方式,较为系统地对燃料棒表面污垢影响堆芯热工水力特性、换热特性包括流动沸腾曲线、临界热流密度特性及汽泡动力学行为进行研究,为反应堆中燃料棒表面污垢对堆芯热工水力特性的影响提供了实验数据和理论支持,有助于促进表面污垢对于核安全分析的应用进程。

关键词：表面污垢子通道分析热工水力特性流动沸腾

翼型肋印刷电路板式LNG气化器热工水力特性数值分析

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翼型肋印刷电路板式LNG气化器热工水力特性数值分析

作者：张露西安石油大学

学位级别：硕士

随着科技的进步和人类社会的发展,人们对能源的需求量逐渐增大,对一次能源如石油、天然气、煤炭等的大规模使用和发展,加速了社会的发展但也造成了一定的环境问题。因此,液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)凭借清洁、高效、灵活性... 详细信息

随着科技的进步和人类社会的发展,人们对能源的需求量逐渐增大,对一次能源如石油、天然气、煤炭等的大规模使用和发展,加速了社会的发展但也造成了一定的环境问题。因此,液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)凭借清洁、高效、灵活性强的特点逐渐被人们广泛使用。近些年,随着海上天然气行业快速发展,LNG接收站的数量也在迅速增加,其中LNG气化器是这些接收站的关键设备。因为其耐高温、抗高压、安全可靠等优势,印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)已逐渐成为海上浮式LNG设备的理想选择,并广泛应用在LNG接收端和LNG-FSRU(浮式储存和再气化装置)。本文通过建立双通道翼型肋印刷电路板式LNG气化器的三维数值模型,通过数值模拟研究分析超临界LNG(冷通道)和丙烷(热通道)的冷凝传热及耦合机制,并对翼型翅片进行交错布置与垂直布置,揭示了不同结构的翼型肋PCHE的热工水力性能。研究结果表明,当Ls越大时,速度流场更加的光滑均匀,因此更加有利于强化传热,研究发现当翼型肋片完全交错布置(Ls=6mm、Lv=4.2mm、Lh=12mm)时,其科尔本J因子最大,范宁摩擦因子f最小,说明处于完全交错布置的翅片更加有利于传热;当Lv越大时,超临界LNG和丙烷的流速越小,但是速度流场更加的光滑均匀,说明稀疏布置的翼型肋片更加有利于强化传热。通过综合对比可以发现交错且稀疏布置的翼型肋片换热性能最佳。其次,分析运行参数的变化对翼型肋PCHE的影响。研究表明进口温度对传热性能影响不大,质量流量对传热性能的影响更大,提高超临界LNG的质量流量或者降低丙烷的质量流量都能提高翼型肋印刷电路板式的换热性能。本论文通过对翼型肋印刷电路板式LNG气化器结构参数和运行参数的热工水力性能分析,为以后翼型肋印刷电路板式LNG气化器的工程应用提供了一定的理论依据。

关键词：翼型印刷电路板式LNG气化器数值分析超临界LNG 丙烷热工水力特性

环形燃料组件池式供热堆热工水力特性数值模拟研究

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环形燃料组件池式供热堆热工水力特性数值模拟研究

作者：李晟北京交通大学

学位级别：硕士

随着我国城市化水平逐年提高,城市规模逐年扩大,北方地区冬季供热的需求量也随之逐年增加。传统的化石能源供热的方式严重影响城市环境质量,需要寻找一条绿色、环保的可持续发展之路。因此,核能供热逐渐引起了人们的关注。如果能在我国... 详细信息

随着我国城市化水平逐年提高,城市规模逐年扩大,北方地区冬季供热的需求量也随之逐年增加。传统的化石能源供热的方式严重影响城市环境质量,需要寻找一条绿色、环保的可持续发展之路。因此,核能供热逐渐引起了人们的关注。如果能在我国北方城市普及,在不影响环境的前提下,能极大缓解我国北方城市在冬季采暖季的能源缺口。根据文献调研,借鉴和分析国内外现有的研究方法及成果,开展本文的研究工作。针对研究对象,即环形燃料组件和池式供热堆。环形燃料组件相较于工程中常用的棒形燃料组件更具优势,其有内外两个冷却通道。在运行工况下可进行双侧冷却,使其具有更好的安全裕度。因其自身独特优势,环形燃料组件逐渐成为国内外的研究热点。像池式供热堆这种小型堆,因其自身具有系统简单、安全性高和运行维护简便等特点,获得了众多国家和科研人员的关注。本文采用CFD数值模拟的方法,研究环形燃料组件和池式供热堆的热工水力特性。对其复杂的几何结构进行必要且合理的简化,建立几何模型,进行下一步热工水力特性数值模拟研究。分析环形燃料组件在运行工况下,其速度场、压力场和温度场的分布情况。由于环形燃料组件结构复杂,对其几何模型进行简化处理,保留主体几何结构,确定流体域结构,并进行网格划分,设置相关参数,进行数值模拟计算。根据环形燃料组件的CFD数值模拟研究结果,对由环形燃料组件构成堆芯的池式供热堆进行热工水力的相关研究。计算结果表明冷却剂在进入最后一道格架之前达到了饱和温度,所以在设计过程中应重点关注最后一道格架前外流道燃料棒与燃料棒之间、燃料棒与控制棒之间狭缝处的换热能力。环形燃料组件使得池式供热堆堆芯内部结构复杂,因此将堆芯简化成多孔介质模型。简化计算过程,节约时间成本,并最大限度的反映堆芯内部冷却剂的流动情况。选用合适的网格数量和湍流模型对池式低温供热堆进行运行工况的相关研究。基于对单组环形燃料组件压降数据的拟合,设置池式供热堆堆芯多孔介质的相关参数。计算结果表明流体域最高温度出现在堆芯出口高功率因子燃料组件区域,堆芯入口流量分配的结果与功率分配趋势基本匹配。

关键词：池式供热堆环形燃料组件热工水力特性数值模拟

华龙一号非能动安全壳热量导出系统热工水力特性研究

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原子能科学技术 2021年第5期55卷 769-777页

作者：葛魁王辉王明军田文喜苏光辉秋穗正西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049 中国核电工程有限公司北京100840

本文针对华龙一号非能动安全壳热量导出系统(PCS),基于漂移流模型开发了一套一维自然循环瞬态计算程序。利用该程序对PCS内热工水力特性进行了分析研究,得到PCS自然循环流量、换热系数、换热器进出口温度、上升管路竖直段出口含气率及... 详细信息

本文针对华龙一号非能动安全壳热量导出系统(PCS),基于漂移流模型开发了一套一维自然循环瞬态计算程序。利用该程序对PCS内热工水力特性进行了分析研究,得到PCS自然循环流量、换热系数、换热器进出口温度、上升管路竖直段出口含气率及水箱水位等热工水力参数随PCS换热功率的变化。本文研究结果将为评估华龙一号PCS的换热能力提供可靠工具,对PCS的设计和改进也具有指导意义,并为后续开发能够模拟带有PCS的安全壳内热工水力行为的程序打下基础.

关键词：自然循环非能动安全壳热量导出系统热工水力特性

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先进安注箱热工水力特性研究

西安交通大学学报 2015年第11期49卷 116-121页

作者：苟军利单建强胡宏伟曹建华沈永刚西安交通大学核科学与技术学院西安710049 中科华核电技术研究院有限公司广东深圳518035

为了研究先进安注箱的热工水力特性,建立了其数学模型,包括基本守恒方程、传热模型、传质模型和阻尼器模型。开发了先进安注箱计算模块,并将其嵌入到RELAP5/MOD3.3程序中。通过与CFD模拟结果的比较分析,验证了文中模型和求解方法的合理... 详细信息

为了研究先进安注箱的热工水力特性,建立了其数学模型,包括基本守恒方程、传热模型、传质模型和阻尼器模型。开发了先进安注箱计算模块,并将其嵌入到RELAP5/MOD3.3程序中。通过与CFD模拟结果的比较分析,验证了文中模型和求解方法的合理性。针对某先进安注箱,研究了其热工水力特性,并开展了参数敏感性分析,结果表明:各参数的变化趋势合理,先进安注箱能实现从大流量到小流量段的过渡;小流量阶段的出口质量流量随阻尼器直径的增大而减小;整个阶段的出口质量流量随大流量水体积与氮气体积比的增大而减小;当立管形阻系数在一定的变化范围内时,大流量阶段的出口质量流量随立管形阻系数的减小而增大。该研究将为我国先进安注箱的设计和实验研究提供理论依据。

关键词：先进安注箱热工水力特性敏感性分析

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矩形通道几何尺寸偏差对热工水力特性的影响

核动力工程 2000年第4期21卷 294-297页

作者：陈炳德熊万玉中国核动力研究设计院成都610041

与圆管和棒束几何通道相比，板型元件窄边的几何尺寸偏差对流道流通截面积影响较大。本文以某一尺寸为例，定量评估了矩形通道窄进尺寸偏差对热工水力特性（流动压降和CHF）的影响。通道尺寸对压降的影响主要表现在当造成热通道含汽后... 详细信息

与圆管和棒束几何通道相比，板型元件窄边的几何尺寸偏差对流道流通截面积影响较大。本文以某一尺寸为例，定量评估了矩形通道窄进尺寸偏差对热工水力特性（流动压降和CHF）的影响。通道尺寸对压降的影响主要表现在当造成热通道含汽后，即使含汽量只有1％，从单相压降向两相压降变化造成的流量偏离仍可达11％。在单相区，窄边偏差0．1mm对流量的影响一般不超过4．0％。对CHF的影响则与所使用的公式有关，对于本文所选CHF公式，如仅考虑由于质量流速变化造成的影响，则可忽略不计。

关键词：矩形通道几何尺寸偏差热工水力特性燃料组件