液態(tài)鉛鉍合金在帶繞絲棒束組件內(nèi)熱工水力行為研究.pdf

1、液態(tài)鉛鉍共晶合金(LBE)具有良好的中子性能和導(dǎo)熱性能、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及高沸點(diǎn)、低熔點(diǎn)等特性，是鉛基反應(yīng)堆主要的冷卻劑材料之一。LBE縱向沖刷燃料棒束的過程是堆芯組件熱工設(shè)計(jì)與安全分析重要的研究課題，其基本問題是LBE與加熱壁面的湍流換熱。但是由于LBE較低的普朗特?cái)?shù)，熱邊界層遠(yuǎn)大于流動(dòng)邊界層，湍流換熱特性與常規(guī)介質(zhì)存在明顯差異，因此有必要對(duì)流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱負(fù)荷高的燃料組件內(nèi)LBE的換熱和流動(dòng)行為進(jìn)行研究。
　　本研究工作在中國(guó)

2、科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“先進(jìn)核裂變能mADS嬗變系統(tǒng)”項(xiàng)目背景下，基于中國(guó)鉛基反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了電加熱實(shí)驗(yàn)?zāi)M組件，開展了流動(dòng)壓降、換熱系數(shù)、熱入口特性以及熱點(diǎn)溫度等實(shí)驗(yàn)研究。并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)修正后的子通道程序進(jìn)行了驗(yàn)證和模型敏感性分析。最后通過流體動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)LBE在繞絲棒束組件內(nèi)的熱場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行分析，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)湍流普朗特?cái)?shù)修正的湍流渦粘模型(RNG、k-ε標(biāo)準(zhǔn)和SST模型)進(jìn)行了驗(yàn)證。論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下

3、:
　　開展了液態(tài)鉛鉍在帶繞絲棒束間的流動(dòng)阻力特性實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明:1）對(duì)于實(shí)驗(yàn)組件結(jié)構(gòu)，Novendstern阻力模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，兩者相對(duì)偏差在14％以內(nèi);2）與規(guī)則流道不同，由于繞絲產(chǎn)生的二次橫流的差異，基于雷諾相似準(zhǔn)則在水介質(zhì)中的壓降?；瘜?shí)驗(yàn)結(jié)果比相同雷諾數(shù)鉛鉍介質(zhì)下的摩擦阻力系數(shù)偏大。
　　開展了液態(tài)鉛鉍在帶繞絲棒束間的換熱特性實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明:1）棒束結(jié)構(gòu)流道的溫度場(chǎng)的入口長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于規(guī)則流道流動(dòng)工況，主

4、要原因是由于子通道間的熱量傳遞速率較慢;2）由于絕熱外套管影響，中心內(nèi)通道的傳熱系數(shù)高于外圍通道，且由于子通道間交混作用次邊內(nèi)通道的傳熱行為也不同于中心內(nèi)通道;3）對(duì)平均努塞爾數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行評(píng)估，針對(duì)實(shí)驗(yàn)組件結(jié)構(gòu)推薦Borishanskii模型，相對(duì)偏差在22％以內(nèi)。
　　基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)修正的子通道程序開展了驗(yàn)證和敏感性分析，結(jié)果表明:1）通過添加液態(tài)鉛鉍物性、帶繞絲棒束流動(dòng)阻力關(guān)系式、液態(tài)金屬傳熱關(guān)系式的子通道程序能夠較好的預(yù)

5、測(cè)液態(tài)鉛鉍冷卻劑和包殼的溫度;2）通過模型的敏感性分析，可以獲得基于Novendstern阻力模型、Borishanskii換熱模型的輔助模型組合與實(shí)驗(yàn)值更為接近，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。
　　基于渦粘模型開展了液態(tài)鉛鉍在帶繞絲棒束組件內(nèi)的CFD研究，結(jié)果表明:k-ε、RNG以及SST三種不同的湍流模型，在預(yù)測(cè)阻力和傳熱特性方面相互間的差異較小，在阻力模型預(yù)測(cè)方面都能夠較好的預(yù)測(cè)棒束的壓降數(shù)值，而在傳熱預(yù)測(cè)方面，在較高Pe數(shù)區(qū)域與實(shí)驗(yàn)結(jié)

6、果吻合較好，在Pe＜300區(qū)域較實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低，主要原因是由于定常湍流Prt假定所導(dǎo)致。
　　綜上，本文開展了液態(tài)鉛鉍在帶繞絲棒束組件內(nèi)的熱工水力特性研究，并基于自主實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)子通道程序和CFD渦粘模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值相結(jié)合的研究方法，掌握了液態(tài)鉛鉍冷卻劑在帶繞絲棒束組件內(nèi)的流動(dòng)與傳熱基本規(guī)律。本文的研究工作可為鉛基反應(yīng)堆燃料組件熱工分析工具（CFD或子通道程序）的使用提供參考，同時(shí)為中國(guó)鉛基反應(yīng)堆的燃料組件設(shè)計(jì)提供實(shí)