基于CFD的超臨界水棒束內(nèi)流動傳熱研究.pdf

1、準(zhǔn)確可靠地預(yù)測棒束內(nèi)超臨界水流動傳熱行為對超臨界水冷堆堆芯熱工水力研究具有重要意義。
　　為了評價湍流模型在棒束內(nèi)超臨界水流動傳熱計算中的性能,本文以開源CFD軟件包OpenFOAM為數(shù)值分析工具,基于上海交通大學(xué)超臨界水棒束試驗數(shù)據(jù),評價了k-ω SST模型和realizable k-ε模型在預(yù)測布置有簡單定位格架的四棒束內(nèi)超臨界水流動傳熱現(xiàn)象時的性能。同時,還將OpenFOAM模擬所得的加熱棒內(nèi)壁溫軸向分布同實驗結(jié)果以及SSG

2、模型的CFX計算結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)三種湍流模型均過低地估算了超臨界壓力下水在棒束流道內(nèi)的換熱能力,由于k-ω模型在壁面附近較 k-ε模型有優(yōu)勢,而 realizable k-ε模型和SSG模型均為ε類模型,所以在遠(yuǎn)離定位格架的區(qū)域 k-ω SST模型預(yù)測結(jié)果同實驗值最為接近。但由于realizable k-ε模型和k-ωSST模型均采用了湍流粘度修正,過度地抑制了定位格架附近的湍流動能產(chǎn)生項,因而得到定位格架附近與實驗不符的溫度變化趨

3、勢。綜合評價本文所考察的湍流模型,k-ω SST模型的模擬結(jié)果較優(yōu),然而為了更精確地模擬超臨界壓力下棒束內(nèi)的流動傳熱現(xiàn)象,湍流模型仍然有待改善。
　　在此研究基礎(chǔ)上,本文采用k-ω SST模型對評價了歐盟超臨界水堆內(nèi)燃料測試實驗(SCWR-FQT)加熱段的傳熱及水力學(xué)特性。該實驗段為具有繞絲定位結(jié)構(gòu)的四棒束,超臨界水在棒束內(nèi)沿上升方向流動?；谟嬎憬Y(jié)果,本文分析了燃料棒外壁溫和壁面剪切應(yīng)力分布,以及繞絲結(jié)構(gòu)對超臨界壓力下棒束內(nèi)流體

4、溫度場和流場的影響,從而為超臨界水冷堆堆芯燃料組件的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:繞絲對棒束內(nèi)超臨界水的流動起導(dǎo)向作用,流線沿繞絲旋轉(zhuǎn)方向延伸,截面流體速度、湍流動能、壓力以及溫度分布均隨繞絲繞程呈現(xiàn)周期性變化;在燃料棒加熱段熱流密度較高區(qū)域,流體溫度亦接近擬臨界溫度,較容易發(fā)生傳熱惡化,而且繞絲與燃料棒接觸面附近容易發(fā)生流動滯止現(xiàn)象,引發(fā)傳熱弱化,因此在設(shè)計上應(yīng)對這些現(xiàn)象及其產(chǎn)生的影響加以考慮,保障反應(yīng)堆的安全。
　　為

5、了進(jìn)一步研究棒束排布對傳熱的影響,本文還分析了不同節(jié)徑比對傳熱特性的影響;采用k-ω SST模型,分別對 P/D為1.18和P/D為1.3的四棒束內(nèi)超臨界水流動傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了節(jié)徑比對流體溫度、速度、湍流動能分布以及對加熱棒內(nèi)壁溫分布的影響。結(jié)果表明,在P/D為1.18的棒束內(nèi),定位格架對其下游超臨界水流動傳熱的影響更為顯著,且沿流動方向流體溫度、速度和湍流動能均高于P/D為1.3的棒束;另外,由于P/D為1.18的棒束子