球床规模对孔隙流动特性影响的CFD模拟研究

对不同规模的有序堆积球床结构进行建模,并使用计算流体力学(CFD)方法对球床孔隙通道内的单相流动进行数值模拟。球床结构的孔隙区域采用混合网格划分策略,球床的计算规模达到11层,共141个颗粒,能够较真实地反映较大规模球床内部的孔隙流动特性。同时考察了球床的规模大小对其孔隙流动以及床层流动压降的影响规律,获得不同径向规模体心堆积球床的阻力关系式。针对截面积较小的方形通道分析了边壁效应对孔隙流动的影响机理,并通过孔隙流道的沿程压降评估了球床入口/出口效应对床层阻力的影响范围。

基于CFD方法的球床式高温气冷堆稳态热工水力分析

基于CFD通用计算程序Fluent,开发了多孔介质流固两相局域非热平衡模型,对PBMR-400满功率名义工况下稳态热工水力行为进行了分析。高温气冷堆堆芯的热工水力计算模型通常为带有强内热源宏观的多孔介质模型,Fluent程序本身的多孔介质模型为局域热平衡模型,无法恰当描述堆芯热工水力行为。通过开启Fluent的自定义标量场(UDS)功能并在动量方程上附加阻力源项,实现了局域非热平衡模型,能够精确地计算球床堆堆芯热工水力行为。CFD程序使用了非常精细的网格,可以计算更加精细的流场和温场分布。计算表明,Fluent的结果与国际上著名的球床堆热工水力程序THERMIX,TINTE符合较好,可以作为球床堆热工水力分析工具。

规则球床堆熔盐流动压降与对流换热CFD模拟

球床堆复杂的几何结构导致直接建模进行热工水力模拟非常困难,一般使用多孔介质模型简化处理,但多孔介质已有的压降和对流换热公式在熔盐冷却球床中的有效性仍待验证。本文基于固态燃料熔盐堆建立了6 cm直径小球的规则球床模型,给定球床进口熔盐流量和球壳发热功率,模拟了球床内的稳态流动与换热,计算了对应的压降和对流换热系数,并分别得到了球床压降、对流换热Nu随球床内流动Re变化的曲线。对比发现:模拟压降结果与已有公式差异较大,而模拟对流换热Nu结果与已有公式的差异相对较小。结合模拟结果和已有的公式,拟合得到了修正的压降和对流换热Nu公式。将修正公式应用于3 cm直径规则球床中,结果表明多孔介质修正模型与直接模拟结果一致。

球床堆内冷却剂流动与传热特性的CFD研究

以计算流体力学(CFD)为基础,利用大型商业软件ProE和CFX,对球床式水冷堆堆芯燃料元件进行三维建模、网格划分和数值计算,对堆芯内冷却剂热工水力特性进行了初步的研究。计算比较了燃料元件球间隙和接触情况下冷却剂的速度场、温度场和压力分布,分析了其对堆芯安全的影响。

球床反应堆流动与传热的CFD分析:球床尺度

通过CFD方法研究反应堆球体热源项、反应堆壁面温度以及反应堆入口Re数对反应堆温度场和速度场的影响,结果表明含有热源的反应堆内温度分布特点明显不同于不含热源项的反应堆,热源的存在造成反应堆局部温度过高。随反应堆壁面温度的升高,不含热源的反应堆内的球体表面Nu数几乎不变,但含有热源反应堆内的球体表面Nu数逐渐降低。反应堆的温度场会随着反应堆入口Re数的升高而降低,反应堆内对流换热逐渐增强。

三维球床几何稀疏条数长特征线加速方法

特征线法具有非常强的几何适应性,可用于三维球床高温气冷堆全堆芯求解,但存在迭代次数多、计算速度慢的缺点。本文将长特征线加速方法应用于三维球床高温气冷堆以解决非规则几何数值加速的问题,基于三维模型特征线布置较二维模型稠密的分析,提出了稀疏条数长特征线加速方法,极大地减少了加速方程的计算量,在不降低角度离散精度的前提下,获得了非常好的加速效果。通过基准题对加速参数的选取方式进行了研究,条数稀疏度取3~5、长特征线长度取2.0 cm左右、加速迭代步取20~60步可获得良好的加速效果。小型轻水堆三维基准题和球床堆芯简化模型的计算结果表明,采用稀疏条数长特征线加速可获得7倍左右的时间加速比,此时对应的迭代步加速比为20倍左右。

基于有序堆积球床的单相阻力特性实验研究与数值模拟

以有序堆积球床结构为对象建立数值计算模型,应用CFD方法对球床的单相流动阻力进行计算,并通过与两套有序球床的阻力实验进行比较,在不同流动介质、工况及排列方式下验证CFD方法在单相床层阻力计算方面的适应性。验证结果表明,针对球床结构中单相孔隙流动,CFD方法的计算结果能够较真实的反映球床流动阻力特性,并在一定工况范围内具有较好的计算精度。通过数值计算的结果分别拟合得到单相水和过热蒸汽的阻力关系式,为球床堆芯的水力学设计提供参考。

基于球床密实实验装置的熔盐堆分流板设计

在熔盐球床堆设计中,为实现堆芯内部燃料球堆积结构的稳定性,需保证堆芯内部的流场均匀分布。研究基于模拟熔盐球床堆堆芯水力特性的球床密实实验装置(Pebble bed dense experiment facility,PBDE),通过设计不同形状和不同孔道分布的分流板,运用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法使用FLUENT软件对其堆芯内部的流场分布进行数值模拟,目的是保证实验中堆芯的流场分布均匀稳定。模拟结果表明,平板形分流板较锥形分流板能更好地使堆芯内流场均匀分布;且增加分流板的孔道数目或减小孔径能使堆芯内部的流场更加均匀稳定;比较设计的6种分流板模拟结果,最终给出满足PBDE堆芯流场均匀分布的分流板,为PBDE实验提供了基础,也为熔盐球床堆的堆芯流量分配设计提供技术方案与选型参考。

球床式水冷堆堆芯热工水力特性分析

以计算流体力学(CFD)为基础,对球床式水冷堆堆芯燃料元件进行三维建模、网格划分和数值计算,采用Fortran 90编制了用于球床式水冷堆堆芯热工水力计算和安全分析微机型仿真程序STAP和TSAP,并对球床式水冷堆堆芯稳态、瞬态工况进行热工水力计算。计算结果表明:燃料元件温度的最大值出现在微小间隙区域位置,速度最大值出现在与该元件接触的燃料元件微小间隙区域的中间位置;燃料元件的表面温度远小于该堆型的设计极限温度,满足安全准则;引入反应性扰动的瞬态工况下,冷却剂的温度突然增加,随后逐步下降,达到稳定。燃料元件表面温度逐步增加,然后逐步降低至稳定状态。

并流列管反应器载热体流动模拟研究

针对并流列管反应器,分析管外载热体流动特性,为反应器优化提供参考。建立反应器管外流体空间数值模型,模拟湍流稳态流动特性,分析流体速度分布、速度矢量及压强分布。研究结果表明,管外流体流速分布基本均匀,采用三块分布板的设置利于管外流体的均匀分布;流体经过分布板管板间隙的速度基本一致,速度值远大于管外速度,合理设置管板间隙孔尺寸,利于流体均匀分布;流体进入反应器,压力自下而上逐渐减小,相同高度上流体压力基本一致,为反应器设计及优化提供参考。

平行流列管反应器环形流道流体特性研究

针对列管式固定床反应器,开展环形流道流体流动特性分析,为反应器设计提供参考。建立环形流道液体流动空间数值模型,模拟反应器内湍流稳态流动特性。通过残差过程分析,合理设置计算参数与网格密度,检验数值模拟的收敛性。分析液体流速分布,合理设置环形流道内壁调节孔;分析液体压强分布,确定不利受压部位。研究结果表明,环形流道内液体不均匀流动,宜设置变截面调节孔,改善流速分布;进口处液体压力较大,为环形流道设计重点部位,宜在内壁合理位置设置调节孔,改善压力分布,为反应器设计提供参考。

醋酸乙烯反应器管外冷却介质流动模拟

针对醋酸乙烯工业反应器,分析管外冷却介质流动特性,为工艺流程的优化提供参考。建立反应器管外流体空间数值模型,模拟湍流稳态流动特性,分析流体速度分布。研究结果表明,流体经过分布板管板间隙的速度值远大于管外速度,且速度值基本一致;反应器中心区域附近管外流体流速较小,壁面附近流速较大;流体经过分布板后,中心与近壁面处流速差别减小,流速分布趋于均匀,利于管外流体均匀传热;说明三块分布板及列管中心距的合理设置利于管外冷却介质的均匀分布。

球床式高温气冷堆堆芯三维建模及稳态热工水力分析

准确可靠的反应堆热工水力分析对球床模块式高温气冷堆的设计及安全运行具有重要意义。基于氦气冷却剂在高温气冷堆堆芯的流动和传热进程,利用CFD软件构建高温气冷堆堆芯的三维耦合模型,模拟计算额定工况下氦气冷却剂在堆芯内的流动和传热过程,并将计算结果与使用THERMIX软件的计算结果进行对比。结果表明:在额定工况下三维模型的稳态计算结果与THERMIX计算数据吻合,相对误差小于1%,三维模型可用于模拟堆芯的冷却剂温度分布情况。研究结果可为后续开展高温气冷堆的堆芯旁流等复杂热工水力现象的分析奠定基础。

球床反应堆燃料元件提升过程气动力建模与分析

球床高温气冷堆实现了核燃料堆芯内外的循环输送,燃料元件气力提升过程是其关键环节。精确地分析和计算燃料元件受到的气动力是流体动力源选型和相应气力提升系统设计及结构优化的基础。该文提出并建立燃料元件气动力数学模型,依据此模型指出基于等压面假设得到的燃料球牵引系数公式的局限性,并计算出燃料球牵引系数的精确表达式,为流体动力源的选型提供依据;同时计算出燃料球侧向力系数和转矩系数的表达式。结果表明:侧向力指向输送管道轴线,转矩阻碍燃料球转速的增大,二者起到稳定提升过程、减小燃料球碰撞与损伤的作用。利用压缩空气系统进行实验,实验结果与气动力模型计算结果相符合。基于数学模型的燃料元件气动力学分析为氦气氛围下核反应堆提升系统的设计及优化提供了理论基础。

多孔介质通道内两相流动特性数值研究

针对球床式水冷堆堆芯单根燃料组件,采用FLUENT软件中的多孔介质模型对燃料组件内冷却剂的热工水力特性进行了数值计算。分析了组件内冷却剂从单相水到过热蒸汽的变化过程,并对不同工况下的计算结果进行了分析。计算得到了多种稳态运行模式下组件内空泡份额、压力、汽相温度、汽相流速等参数的变化规律以及系统参数对热工特性的影响。结果表明,由于多孔介质的存在,组件内的阻力比轻水反应堆更大,堆芯压降也相应增大。正常工况下,堆芯冷却剂温升较大,冷却剂跨越液相区、相变区以及单相蒸汽区,各区流动换热特性差异大。当运行模式发生改变时,与轻水反应堆相比,球床式水冷堆堆芯的流动换热参数值变化更大,但无论是稳态工况还是瞬变工况下的冷却剂温度均满足安全准则。

熔盐球床堆径向流堆芯的热工水力分析

核热泉(NHS)堆是一种新型熔盐球床概念设计堆,其冷却剂径向流过堆芯,具有满功率自然循环特性。基于多孔介质局部非热平衡模型,利用计算流体力学(CFD)通用软件Fluent计算核热泉堆径向流堆芯的热工水力特性,并比较了不同的内、外孔板开孔率的影响。结果表明,内孔板开孔率对冷却剂流量分布影响较大;燃料中心温度具有相当的安全裕量,冷却剂横向流过堆芯的阻力远低于浮升力,能够实现全回路的自然循环。