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螺旋型燃料棒束内流动与换热特性数值模拟

发布时间:2021-01-11 11:04
  近年来,核能利用日益受到重视,核能发电总量占总发电量的比例逐年上升。为了满足社会高速发展的需求,核反应堆也面临着优化设计和更新换代的问题。开发高性能新型核燃料棒是改善反应堆热工水力性能的一个重要研究方向,其中改进核燃料棒几何形状的螺旋型燃料棒设计潜力巨大。目前,计算流体力学方法有助于螺旋型燃料棒热工水力特性研究的开展,且关于结构参数和运行参数对冷却剂在棒束通道内流动与换热特性影响规律的研究较少,相关的流动换热经验关系式(范宁因子和努塞尔数)也基本处于空白状态。因此,本文以螺旋型燃料棒所构成的不同燃料组件为基础,探究结构参数和运行参数对流动与换热特性的影响规律,开发适用于螺旋型燃料棒的流动换热经验关系式。首先,本文在保持燃料棒装料体积相等的前提下,将螺旋型燃料棒复杂的截面形状拆分成由圆弧、直线等简单的几何元素组成的几部分,根据各个部分之间满足的几何关系,通过数学推导,得到各部分的取值范围,由此得出了一整套螺旋型燃料棒结构尺寸设计准则。其次,采用数值模拟方法选取SST k-ω湍流模型研究了过渡半径RE、螺距h、棒束布置方式和花瓣瓣数这四项结构参数对燃料组件流动换热特性的影响规律,通过进出口... 

【文章来源】:哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】:74 页

【学位级别】:硕士

【部分图文】:

螺旋型燃料棒束内流动与换热特性数值模拟


螺旋型燃料

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-a)四角俯视图b)三角俯视图c)燃料棒侧面图图1-1螺旋型燃料棒结构示意图鉴于以上优势,螺旋型燃料棒在微型核反应堆乃至商用压水堆具备广阔的应用前景。然而,目前这一新型燃料棒的制造生产技术尚未普及,造价也相对较高,加之堆芯实验需要在高温高压下进行,具备试验周期长、费用高的特点,故开展全尺度的螺旋型燃料棒束热工水力实验还有很长一段路要走;另外,子通道程序分析的方法无法得到棒束通道内部的流尝温度场变化。近年来随着计算机技术的不断发展,计算流体力学(简称CFD)手段正逐渐用于棒束通道内流动与换热现象研究,并可以获得较为精确的三维场数据和相应规律。这对将来研究者进行实验室尺度下的热工水力实验具备一定的参考价值。1.2研究现状对于螺旋型燃料棒的数值模拟研究和实验研究主要集中在俄罗斯和美国两个国家。美国以麻省理工学院(MIT)为代表的的相关研究小组对螺旋型燃料棒进行了较为系统的研究,近几年国内也陆续有高校和企业对这一新兴方向开展数值模拟研究,而国内的实验研究目前还处于空白状态。目前,世界上对螺旋型燃料棒束通道内的研究正处于起步和摸索阶段,相应的资料和文献较少。然而,国内外学者对绕丝型燃料棒已经进行了大量的研究工作,加之绕丝型燃料棒和螺旋型燃料棒结构具有一定的相似性,故绕丝型燃料棒的相关研究可以为后者提供参考。1.2.1螺旋型燃料棒的实验研究俄罗斯早在前苏联时期就尝试对核燃料的形状进行优化改进,经过不断摸索,发明了螺旋型燃料棒,掌握了其加工制造技术,并最终应用于大型反应堆。由于保密和语言的原因,与之相关的大量实验数据一直处于保密状态。苏联解体后,圣彼得堡核物理研究所[2]延续该领域做了大量的研究工作,并先后建立了SM和

组件图,临界热流密度,组件图,压降


哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-的材料和螺旋型燃料棒的加工工艺有关。这其中就包括,Ageenkow[4]通过实验的方法研究了燃料元件加工过程中的工艺公差,并给出了其高斯分布,此外其还分析了核燃料材料的热特性,认为铝化物有望成为核燃料的一种新的选择。Diakov[5]和Yu[6]则致力于核燃料中铀富集度的研究,通过进行中子学计算,认为低铀富集度的核燃料同样能够满足堆芯的功率要求。俄罗斯研究中心库恰托夫研究所的Bol’shakov[7]等对VVER-T堆型的螺旋型燃料棒束进行了实验研究,实验包括压降特性和临界热流密度两方面。燃料组件如图1-2所示,实验段长度为72cm。从图中可以看出,实验所用的螺旋型燃料棒与MIT研究小组设计的螺旋型燃料棒在形状上有很大的区别,其几何参数由制造技术、VVER-T反应堆的运行条件以及反应堆组件的中子和物理参数决定。压降特性的实验结果表明,螺旋型燃料组件的压降略高于圆棒组件的压降,但相差不大;临界热流密度实验通过提升冷却剂入口温度和棒束的加热功率来实现,通过大量的实验结果发现,往往是中心的燃料棒温度骤生并发生烧毁现象。并将实验点与已有的经验关系式进行比较,发现实验值高于关系式的计算值。图1-2压降特性和临界热流密度实验燃料组件图[7]美国方面,Conboy[8-12]在研究生阶段进行了大量的研究工作,其硕士和博士课题均围绕螺旋型燃料棒展开,期间发表了大量的文章。研究内容涵盖燃料棒结构尺寸设计与改良、COSMOS有限元分析、子通道程序的开发以及小尺度的实验等多个方面。如图1-3、1-4所示,MIT研究小组以参考组件为出发点,以燃料横截面积(或燃料体积和质量)和组件尺寸保证不变、且氢-重金属原子比(H/HM)接近作为准则,设计了不同横截面尺寸的螺旋型燃料棒。

【参考文献】:
期刊论文
[1]Lee相变传质方程中传质系数取值的分析[J]. 邱国栋,蔡伟华,吴志勇,姜益强,姚杨.  哈尔滨工业大学学报. 2014(12)
[2]快堆燃料组件棒束通道内流动和传热现象分析与研究[J]. 刘洋,喻宏,刘一哲.  原子能科学技术. 2014(01)

博士论文
[1]棒束通道单相及两相流动与传热数值研究[D]. 李小畅.哈尔滨工程大学 2015

硕士论文
[1]大型先进压水堆燃料组件裂变产物释放及扩散机理研究[D]. 许锐.上海交通大学 2015
[2]含绕丝燃料组件内铅铋冷却剂流动特性的数值分析[D]. 周振慰.中国科学技术大学 2014
[3]绕丝组件内流动与传热数值模拟[D]. 李峥.哈尔滨工程大学 2013
[4]粘弹性流体强迫各向同性湍流大涡数值模拟研究[D]. 王璐.哈尔滨工业大学 2012
[5]快堆单盒燃料组件内冷却剂流场温度场计算研究[D]. 刘一哲.中国原子能科学研究院 2007



本文编号:2970655

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