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含绕丝棒束低流速时阻力特性的实验研究

原子能科学技术 2023年第5期57卷 960-967页

作者：周志伟李虹锐薛秀丽曾泽华刘瑞刘健罗锐中国原子能科学研究院核工程设计研究所北京102413 清华大学能源与动力工程系北京100084 华北电力大学动力工程系河北保定071003

钠冷快堆含绕丝棒束组件低流速时的摩擦阻力特性,是设计钠冷快堆非能动事故余热排出系统的重要参数。使用水作为测量介质,采用改进的液柱测压方法,准确测量了一个有机玻璃材质37棒绕丝棒束组件雷诺数Re=200~1 100时的摩擦阻力特性。结... 详细信息

钠冷快堆含绕丝棒束组件低流速时的摩擦阻力特性,是设计钠冷快堆非能动事故余热排出系统的重要参数。使用水作为测量介质,采用改进的液柱测压方法,准确测量了一个有机玻璃材质37棒绕丝棒束组件雷诺数Re=200~1 100时的摩擦阻力特性。结果表明,被测量组件从层流向湍流转捩的临界Re为370。组件的入口段长度随着流速的增加而增大,随着流动开始向湍流转变而减小。现有的绕丝棒束摩擦阻力系数经验公式中,UCTD公式与实验值最接近:在层流区,UCTD公式高估了约7%,在层流向湍流转换区,UCTD公式计算值与实验值基本一致。同时,UCTD和CTS公式还高估了组件从层流向湍流转捩的临界Re。

关键词：绕丝棒束摩擦阻力非能动余热排出层流

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全流态工况下绕丝棒束内的摩擦压降模型研究

核技术 2023年第6期46卷 121-133页

作者：周涛涛刘书勇郁杰中国科学院合肥物质科学研究院、核能安全技术研究所合肥230031 中国科学技术大学合肥230026

为准确预测液态铅铋在燃料组件棒束内截面的摩擦压降特性,需选取合适的摩擦压降模型。针对8种不同的绕丝棒束内摩擦压降模型,采用统计分析的方式评估模型的适用性,研究不同模型在不同流态范围内实验数据的预测准确性。分析结果表明:摩... 详细信息

为准确预测液态铅铋在燃料组件棒束内截面的摩擦压降特性,需选取合适的摩擦压降模型。针对8种不同的绕丝棒束内摩擦压降模型,采用统计分析的方式评估模型的适用性,研究不同模型在不同流态范围内实验数据的预测准确性。分析结果表明:摩擦系数不仅与棒束数量(Nr)和节径比(P/D)有关,还与螺径比(H/D)有关;在层流范围内BBDD模型和本文模型与实验数据较为吻合;在过渡流范围内BBDD模型、CTD模型和本文模型与实验数据较为吻合;在湍流范围内Rehme模型、UCTD模型和本文模型与实验数据较为吻合。因此,本文提出的模型适用于全流态的燃料组件棒束内截面的摩擦压降预测。

关键词：全流态绕丝棒束截面摩擦系数

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绕丝棒束组件过渡流摩擦阻力实验研究

原子能科学技术 2024年第9期58卷 1825-1832页

作者：李虹锐薛秀丽周志伟曾泽华罗锐清华大学能源与动力工程系北京100084 中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413

绕丝棒束组件低流速下摩擦阻力是钠冷快堆堆芯热工水力研究的重点内容之一。通过对现有组件摩擦阻力系数公式应用于过渡流存在的问题、现有组件摩擦阻力实验在低流速时出现的不同摩擦阻力特性的分析讨论,以及对一个37棒组件低流速摩擦... 详细信息

绕丝棒束组件低流速下摩擦阻力是钠冷快堆堆芯热工水力研究的重点内容之一。通过对现有组件摩擦阻力系数公式应用于过渡流存在的问题、现有组件摩擦阻力实验在低流速时出现的不同摩擦阻力特性的分析讨论,以及对一个37棒组件低流速摩擦阻力的实验研究,提出了组件内流动的转捩特性和提高经验公式在低流速时计算准确性的有效策略。研究结果表明:绕丝棒束组件内流动转捩并不是同时发生,而是在部分子通道的局部先发生,随着流速的增加扩散到整个组件,只有当一定数量子通道都发生转捩时,棒束的平均摩擦阻力才会显著增加。绕丝棒束组件摩擦阻力系数公式应尽可能使用小的层流向过渡流转捩的临界Re和插值指数,使公式尽早开始转捩,并平滑向过渡流过渡。

关键词：绕丝棒束摩擦阻力层流过渡流非能动余热排出

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钠冷快堆绕丝棒束内冷却剂流动换热数值分析

钠冷快堆绕丝棒束内冷却剂流动换热数值分析

作者：吕岱臻山东大学

学位级别：硕士

钠冷快堆作为第四代先进核电堆型之一,具有增殖裂变核燃料和嬗变长寿命核废物的优点,这能够解决核电发展中前端核燃料供给和后端乏燃料处理的问题。但钠冷快堆数值模拟有两个难点:一个是其燃料组件是形状复杂的绕丝棒束,子通道狭窄且整... 详细信息

钠冷快堆作为第四代先进核电堆型之一,具有增殖裂变核燃料和嬗变长寿命核废物的优点,这能够解决核电发展中前端核燃料供给和后端乏燃料处理的问题。但钠冷快堆数值模拟有两个难点:一个是其燃料组件是形状复杂的绕丝棒束,子通道狭窄且整个棒束通道没有对称性;另一个是目前使用的冷却剂液态钠的湍流普朗特数不再是一个常数,而是随流动参数变化的函数,因此需要对其进行准确的建模。本文针对印度原型快堆(PFBR)建立7棒绕丝棒束组件,通过对复杂几何简化、湍流模型、壁面处理方式与液态金属湍流普朗特数的分析,开发出能够精确模拟绕丝棒束通道内流动与传热的优化数值模型。优化前的模型对比优化模型高估了Nu数,平均偏差为9%,而优化模型的结果与实验关联式预测值基本吻合。随后采用优化数值模型分析有无绕丝、绕丝螺距和绕丝直径等绕丝参数对绕丝棒束内冷却剂流动与传热的影响。研究发现光棒束三种子通道内轴向速度基本没有波动,相比之下绕丝对子通道内轴向速度分布影响显著:绕丝旋转引发冷却剂轴向速度在内通道呈周期性波动,且周期长度为绕丝螺距的1/4;在边通道呈正弦分布;在角通道出现一次极大值后维持在较低水平。其次,绕丝强化了横流,并引起涡流与局部回流的产生,加剧冷却剂在子通道内循环流动以及子通道间交流。此外,还发现各燃料棒平均温度与最大温度分布都与绕丝旋转方向强相关。绕丝螺距减小将提高绕丝棒束通道的摩擦因子,螺距小于200 mm时这一特征更加明显。螺距减小会使轴向速度在内通道与边通道的波动周期变短,振幅增大。其次,不同子通道内横流强度随螺距增大都呈递减趋势,当螺距大于200 mm时,不同子通道内横流强度都趋于同一较低水平。在同一横截面处,横流强度随螺距减小而增大,基本呈现螺距每减小一倍,横流强度就增大一倍的规律。减小绕丝螺距还有助于减小横流不均匀度,使冷却剂充分搅混。此外,随螺距减小各燃料棒表面平均温度均减小,阻止了局部热点的产生。分析摩擦因子f与Nu数发现,当螺距小于200 mm时,提高绕丝棒束通道的换热性能需要更高比例的压力损失,而且螺距越小规律越明显。绕丝直径越小,轴向速度波动的周期性越弱。而较大的绕丝直径强化横流的搅混,降低各燃料棒表面温度,减少热点的产生,同时会使横流更加均匀,降低出口冷却剂温度且使其分布更加均匀。分析f与Nu数发现,较大的绕丝直径可以提高绕丝棒束通道的换热性能,但也产生更高的压力损失。

关键词：钠冷快堆绕丝棒束数值模拟湍流普朗特数热工水力

绕丝棒束组件内热电偶测点对组件水力特性的影响

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绕丝棒束组件内热电偶测点对组件水力特性的影响

数值堆热工流体程序CVR-PACA验证及典型应用

中国核学会2021年学术年会

作者：谢旭李虹锐薛秀丽周志伟王惠杰华北电力大学动力工程系清华大学能源与动力工程系中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部

本文采用CFD软件STAR-CCM+对一个普通37棒燃料组件和一个加装有热电偶测点的37棒燃料组件进行了数值模拟,研究了热电偶对组件内钠流流场的影响。研究结果表明,绕丝棒束组件加装热电偶后组件的摩擦阻力压降增大,且增加值随着组件内流体... 详细信息

本文采用CFD软件STAR-CCM+对一个普通37棒燃料组件和一个加装有热电偶测点的37棒燃料组件进行了数值模拟,研究了热电偶对组件内钠流流场的影响。研究结果表明,绕丝棒束组件加装热电偶后组件的摩擦阻力压降增大,且增加值随着组件内流体流速的增加而增加。热电偶在低Re时引起的组件摩擦阻力压降增加不超过1.5%,对组件内流场的影响很小。研究结果还表明,随着热电偶数量的增加,加装一根热电偶引起的摩擦阻力压降较热电偶数量较少时引起的摩擦阻力压降值更大。

关键词：数值模拟绕丝棒束热电偶摩擦阻力系数

来源： cnki会议评论

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原子能科学技术 2021年第9期55卷 1569-1580页

作者：王明军鞠浩然赵民富李伟卿刘天才胡长军杨文田文喜秋穗正苏光辉西安交通大学核科学与技术学院陕西西安710049 中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413 北京科技大学计算机与通信工程学院北京100083

谱元方法是一种高精度的数值计算方法,采用该方法开发了数值堆高精度热工水力并行CFD计算程序CVR-PACA。应用CVR-PACA对单棒光棒通道湍流流场、3×3光棒棒束湍流流场、Matis-H压水堆棒束通道基准题、19棒带绕丝组件通道湍流流场进行了... 详细信息

谱元方法是一种高精度的数值计算方法,采用该方法开发了数值堆高精度热工水力并行CFD计算程序CVR-PACA。应用CVR-PACA对单棒光棒通道湍流流场、3×3光棒棒束湍流流场、Matis-H压水堆棒束通道基准题、19棒带绕丝组件通道湍流流场进行了仿真计算。通过与实验测量值对比,研究定量验证了大涡模拟(LES)模型及非稳态雷诺时均(URANS)模型对各类棒束通道流场预测的准确性。算例在建模过程中采用网格分裂技术实现了复杂几何的纯六面体网格划分,用于支撑谱元方法计算。研究较为全面地积累了高精度谱元方法模拟流场流动及换热的建模经验,获取了各类棒束通道内丰富的流动和换热细节,获得的建模经验能更加精准有力地指导相关设计的优化改进。

关键词：湍流搅混稠密栅元搅混翼绕丝棒束大涡模拟模型非稳态雷诺时均模型谱元方法

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带绕丝燃料组件热工特性的数值研究

带绕丝燃料组件热工特性的数值研究

作者：黄继缘华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

带绕丝燃料组件广泛应用在第四代核反应堆中,作为反应堆的核心部件,绕丝的存在不仅起到固定和支撑燃料棒的作用,同时使得流场的分布复杂化。其热工水力特性分析对反应堆的安全性和经济性至关重要。由于其结构的复杂性给热工水力分析带... 详细信息

带绕丝燃料组件广泛应用在第四代核反应堆中,作为反应堆的核心部件,绕丝的存在不仅起到固定和支撑燃料棒的作用,同时使得流场的分布复杂化。其热工水力特性分析对反应堆的安全性和经济性至关重要。由于其结构的复杂性给热工水力分析带来一定的困难。本文采用SSTk-ω湍流模型并利用商业CFD软件对带不同绕丝根数的燃料组件进行热工水力分析及单向流固耦合分析。通过商用网格划分软件ICEM对整个模型流体域和固体域采用结构化六面体网格进划分,并通过CFX进行求解。为获得准确可信的计算结果,首先对模型进行了网格敏感性验证,计算结果与ANL的基准模型进行比对,在模型符合基本要求后,设计带有不同绕丝数缠绕的燃料组件模型。针对这些模型,绕丝的直径、间距及缠绕周期均相同,以此控制单一变量,便于观察。通过数值模拟主要研究了组件的压降、轴向流、横向流、各子通道涡流、子通道内的温度分布及燃料包壳轴向的温度热点和等效热应力等问题。和大多数国内外研究不同,本文主要研究缠绕在燃料棒上不同绕丝数量对燃料组件流动换热的影响。研究结果发现中间燃料棒处流场沿绕丝径向旋转方向呈周期性波动,其方向与绕丝螺旋方向相同。绕丝的后方,会出现强烈分离流。根据相邻棒束与包壳壁面的间隙不同可分成边通道、角通道和内通道三种形式观察。随着绕丝根数的增多,流体的速度波动范围增大,横向流更加强烈,同时发现四绕丝截面平均横向流最大,约为单绕丝模型横向流数值的两倍。沿着轴向流动的流体被绕丝分割成两部分,顺着绕丝缠绕方向的流体受压迫,压降增大;在绕丝背面压降损失陡然下降,绕丝两侧压力不均是产生横向流的原因。流体流经绕丝后有涡流产生,绕丝所处的位置对应不同涡的大小和数量,在稠密绕丝棒束中,涡流现象更加明显,内通道涡流数多,边通道易形成大涡,且呈现出一定的规律性。绕丝根数的增多,一方面使横向流速度提高且分布更均匀,降低热应力,单向流固耦合结果也验证了这一点;另一方面也使得压降增大,摩擦系数增大,反而使堆芯热效率降低,因此缠绕在燃料棒上的绕丝不宜过多。

关键词：绕丝棒束数值模拟热工水力子通道分析流固耦合

37棒钠冷快堆实验组件自然循环流动与传热数值分析

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37棒钠冷快堆实验组件自然循环流动与传热数值分析

作者：蒋克涛华北电力大学

学位级别：硕士

核能技术在用于生产电力的同时带来的另一个显著缺点就是产生了大量的乏燃料,乏燃料数量在全球范围内正在快速增长。由于其高放射性对环境和社会存在严重危害,乏燃料的后处理成为亟待解决的问题。钠冷快堆由于其利用鈈239作为主燃料,在... 详细信息

核能技术在用于生产电力的同时带来的另一个显著缺点就是产生了大量的乏燃料,乏燃料数量在全球范围内正在快速增长。由于其高放射性对环境和社会存在严重危害,乏燃料的后处理成为亟待解决的问题。钠冷快堆由于其利用鈈239作为主燃料,在生产电力同时其燃料裂变反应释放快中子能够将铀238吸收并形成铀239实现核燃料的快速增殖,可以显著提升核燃料利用率来防止核资源的枯竭,从而对保护环境起到重要作用。钠冷快堆其功率密度较高,为保证其安全性和可靠性,分析事故余热排除期间其自然循环条件下的传热和流动情况具有重要的意义。本文针对钠冷示范快堆通过相似理论设计的钠冷快堆实验组件进行分析,以37棒绕丝燃料组件棒束为例,通过实验方法初步获取截面出口温度,并进行摩擦阻力压降计算。通过选取Standard k-ε、RNG k-ε、Realizable K-ε以及SST k-ω四种湍流模型进行摩擦阻力压降等参数对比,选定适合的湍流模型进行自然循环条件下低雷诺数的传热与流动分析,从而更好的了解其自然循环机理,为钠冷快堆的设计和优化提供参考。数值分析表明,RNG k-ε湍流模型具有较高的适用性,通过该模型数值分析表明在加热条件下,温度场分布上,燃料组件内部子通道温度要显著高于外部子通道温度;而密度场分布情况相反,内部子通道密度低于外部子通道密度;流场分布上,内部子通道轴向流速显著高于外部子通道轴向流速,且高流速区域随着绕丝缠绕角度改变发生周期性改变;绕丝附近横向流速较为强烈,对流场和温度场的混合起到较好作用。

关键词：钠冷快堆绕丝棒束热工水力数值模拟

基于CFD方法的钠冷快堆绕丝组件的流动传热特性数值研究

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基于CFD方法的钠冷快堆绕丝组件的流动传热特性数值研究