绕丝棒束组件过渡流摩擦阻力实验研究

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。

含绕丝棒束低流速时阻力特性的实验研究

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。

全流态工况下绕丝棒束内的摩擦压降模型研究

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。

快堆带绕丝棒束组件低雷诺数下的水力特性分析

低雷诺数(Re)流动存在于正常运行或事故停堆工况的各类组件中,对于快堆的安全运行具有重要意义。利用CFX程序对低Re下的中国实验快堆不同类型的带绕丝棒束组件的水力特性进行了分析。结果表明,通过利用1个螺距的带绕丝棒束组件计算得到的低Re下的水力特性与实验结果以及Engel关系式符合较好。通过利用4个螺距的带绕丝棒束组件计算结果表明,绕丝产生的横向流动使组件6个壁面上压力分布有所不同,但在流动充分发展时,每个面轴线方向的压降按螺距均匀分布,从而进行带绕丝棒束组件水力特性测量时,需在组件同一面上按照整数倍螺距来布置测点,才能避免由于横向流动对测量带来的影响。

绕丝棒束组件低流速时摩擦阻力实验研究

钠冷快堆在事故停堆余热排放期间,堆芯组件内钠流为自然循环流动,流速很低,因此准确确定绕丝棒束组件低流速时的摩擦阻力系数对钠冷快堆非能动余热排出系统的设计具有重要意义。本文以水为流动介质,准确测量了37棒和19棒绕丝棒束组件在低流速(Re<1000)时的摩擦阻力系数。实验结果表明,随着流速的降低,绕丝棒束组件的摩擦阻力系数迅速升高,流动从层流向过渡流转变时,摩擦阻力系数有明显跃升。将实验测量值与绕丝棒束摩擦阻力系数经验公式的计算结果进行比较,发现在低流速时,经验公式计算结果较实验测量值明显偏小,同时经验公式计算的绕丝棒束层流向过渡流转变的临界Re较实验值偏大。

一种适用于钠冷快堆绕丝棒束组件热工水力特性分析的多孔介质模型

为准确预测钠冷快堆堆芯三维热工水力参数分布同时降低计算资源需求,基于表征体元概念建立了针对绕丝棒束组件的三维多孔介质模型,根据组件几何结构特点将冷却剂与固体壁面间的相互作用力分解为分布式阻力,引入包含湍流搅混传热、流体导热和燃料棒导热的有效传热系数模型刻画组件的径向传热。采用日本东芝公司核能工程实验室37棒液态钠冷却绕丝棒束组件实验进行模拟计算,数值计算结果与实验结果对比发现,基于论文提出的多孔介质模型可以在多种工况下较好地复现实验结果。因此,本研究提出的多孔介质模型可用于钠冷快堆绕丝棒束组件三维热工水力参数分布预测。

定位绕丝结构对棒束通道热工水力特性影响数值分析

定位绕丝设计广泛应用于金属快堆堆芯设计及气冷快堆堆芯设计中,本文基于三维精细化绕丝定位棒束通道网格模型模拟分析了定位绕丝螺距、定位绕丝数量及定位绕丝形状对超临界二氧化碳在棒束通道中流动换热的影响。模拟结果表明定位绕丝螺距比定位绕丝数量及定位绕丝形状对温场流场的影响更大,定位绕丝螺距小于200 mm时,进出口压降大幅增加,表面换热系数增加,温度不均匀度大幅降低;随着定位绕丝数量增加,进出口压降线性增加,表面换热系数变化不大;圆形定位绕丝可以以较小截面积达到与方形定位绕丝相似的效果,梯形定位绕丝对流场影响不如矩形定位绕丝。

数值堆热工流体程序CVR-PACA验证及典型应用

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。

快堆绕丝组件三维精细化多孔介质模型与验证

液态金属冷却快堆(LMFR,简称“快堆”)通常采用带绕丝棒束的闭式燃料组件,为了准确地计算组件盒内径向温度分布,同时节约计算资源,提出了基于计算流体动力学(CFD)方法的三维精细化多孔介质模型,将绕丝作为多孔介质固体骨骼均匀化计入棒束流动通道中,在多孔介质动量方程中加入分布式阻力源项考虑绕丝的流动阻力,修正能量方程扩散项以考虑绕丝扫流和热羽流造成的横向交混。采用美国橡树岭国家实验室(ORNL)快堆19棒带绕丝组件钠实验进行验证计算,数值计算结果与实验结果对比发现,建立的三维精细化多孔介质模型得出的快堆组件径向温度分布与实验结果符合良好。因此,本研究提出的三维精细化多孔介质模型可用于快堆绕丝组件内径向温度分布的精确预测。

低雷诺数条件下钠冷快堆的数值模拟

钠冷快堆的自然循环过程是在低雷诺数条件下进行的,所以研究在低雷诺数条件下钠冷快堆的流动特性是非常有必要的。利用计算流体力学软件对钠冷快堆带绕丝棒束进行了数值模拟,结果表明,Rehme关系式与模拟的结果是吻合较好的。燃料组件的入口距离是小于一个螺距的距离,且出口效应对摩擦阻力系数影响不大。