紧密栅结构对氦氙混合气体流动换热的影响研究

以氦氙(He-Xe)混合气体为冷却剂的布雷顿循环气冷堆被视为兆瓦级空间能源系统中最合理的技术之一。紧密栅具有功率密度高、质量小、结构紧凑等优点,非常适用于气冷空间堆堆芯结构。本研究对He-Xe气体混合物在紧密栅棒束通道内的流动传热进行了CFD数值模拟,得到了紧密栅通道中的速度和温度场分布;比较了不同栅径比条件下He-Xe混合气体在紧密栅棒束通道内的流动换热性能参数。结果表明,随着栅径比的增加,紧密栅棒束通道的局部努塞尔数和摩擦阻力系数均为先增加后减少,其中栅径比为1.25时的总努塞尔数最大;综合换热性能的评价标准随着栅径比的变化先增加后减小,在5种栅径比中P/D = 1.15最佳。The Brayton cycle gas-cooled reactor with helium-xenon (He-Xe) gas mixture as coolant is regarded as one of the most reasonable technologies for megawatt-scale space energy systems. Compact rod bundle has the advantages of high-power density, low mass and compact structure, which is very suitable for gas-cooled space core structure. In this study, the CFD numerical simulation of the flow and heat transfer of He-Xe gas mixture in compact rod bundle channel was carried out, and the velocity and temperature field distributions in the compact rod bundle were obtained. The flow and heat transfer performance parameters of He-Xe mixed gas in rod bundle channels were compared under different pitch-diameter ratios. The results show that with the increase in pitch-diameter ratio, the local Nusselt number and frictional factor of compact rod bundle channels increase first and then decrease, and the total Nusselt number is the largest when the pitch-diameter ratio is 1.25. The evaluation criterion of comprehensive heat transfer performance increases first and then decreases with the change in pitch-diameter ratio, and P/D = 1.15 is the best among the five grid-diameter ratios.

7棒束紧密栅元流体流动传热数值研究

紧密栅元内的流体流动传热研究对高转化比反应堆燃料组件的优化有十分重要的意义。本文采用CFD方法对7棒束紧密栅元棒束通道内流体流动传热现象进行了数值模拟,并与7棒束紧密栅元内氟利昂流体传热的实验结果进行对比分析,详细分析了定位格架对棒束内流体传热流动的影响。结果表明:数值计算所得的非加热棒的壁面温度和实验吻合良好,定位格架的存在对其下游流体流动、棒束最高温度分布及交混系数有明显的影响,棒束某些位置因流动滞止导致温度大幅上升,在设计中应加以注意。

紧密栅元棒束通道内的传热流动数值模拟

对紧密栅元棒束中心通道和壁面通道内空气的传热流动行为进行了数值研究;结合实验数据对壁面温度、剪应力、流体温度和速度以及湍动能等参数进行了分析。结果表明:随着节径比(P/D)的减小,紧密栅元棒束通道内参数的不均匀性会增加,在通道的间隙区会出现壁面温度的峰值。在紧密栅元组件的设计中应该考虑这种间隙区的高温点分布;通道壁面的周向导热对紧密栅的传热有较大影响。

三角形排列的紧密栅元棒束内流动行为的数值模拟

对三角形排列紧密栅元通道内的空气湍流流动进行了数值研究,系统考察了涡粘性和雷诺应力两类湍流模型模拟紧密栅元通道内流动特征的适用性。结果表明:SSG雷诺应力模型对流动有较好的模拟,这说明湍流各项异性的模拟在紧密栅元中十分重要;不同雷诺数和几何结构下的模拟显示,二次流的大小和雷诺数的相关性不大,但随着棒间距和棒径比(P/D)的增大,二次流减小。

堵塞条件下紧密栅湍流交混特性研究

开展堵塞工况下紧密栅内流体子通道间隙湍流交混研究,对事故工况下燃料组件热工水力行为的预测具有重要意义。本文采用CFD方法对紧密栅内堵塞工况的流体流动现象进行了模拟,模拟结果与相关文献结果吻合较好。进一步对比分析了不同堵塞工况下,堵塞段及堵塞下游的速度场、涡结构以及湍流交混系数分布。所得不同堵塞工况下的横向与轴向湍流交混系数变化规律,可为子通道分析程序的参数设置提供参考。

紧密栅棒束通道氦氙混合气体流动传热特性数值模拟研究

针对氦氙冷却高温气冷堆堆芯设计和分析需求,本研究建立了一套涵盖物性模型、湍流模型与湍流普朗特数模型的氦氙混合气体三维流动传热模型,并基于此模型开展了棒束通道内氦氙混合气体流动传热数值分析,研究几何参数和运行参数对相关特性的影响规律。结果表明:包壳存在会对紧密栅棒束通道内流动传热带来较大的周向非均匀性,在子通道模拟及整体三维数值模拟中均应考虑包壳导热影响;除包壳外,紧密栅棒束通道内氦氙流动传热则主要受栅径比影响,同一工况下栅径比越大,混合气体对流换热越强烈。

紧密栅棒束子通道间周期性大尺度涡的CFD模拟

为准确评估紧密栅棒束子通道间的搅混现象,采用开源计算流体力学(CFD)软件OpenFOAM 2.0并基于k-ω的显式几何雷诺应力湍流模型对两种子通道内的周期性大尺度涡结构进行模拟,研究了紧密栅子通道间周期性大尺度涡波长、峰值频率等参数的变化规律。结果表明,周期性涡结构存在一个很强的峰值频率,其平均最大频率随雷诺数(Re)呈线性增加,但其平均波长(λ)不随Re变化,只与子通道的结构参数有关;周期性涡结构导致两个子通道间存在很强的周期性的流动震荡,是紧密栅子通道湍流搅浑得到强化的主要原因。