棒束单相流动传热CFD的不确定性量化研究

发布时间：2020-09-24 13:08

　　随着计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的发展以及计算机性能的飞速提高,CFD数值模拟技术在核工程领域有着越来越广泛的应用。核燃料组件是核反应堆的核心部件,其最常见的几何结构为棒束结构,CFD作为一种辅助工具正大量地用于棒束的流动与传热分析之中。一方面,对于CFD在棒束流动传热分析的应用中,国内外尚无统一的最佳实践导则,CFD模拟结果可信度存在争议;另一方面,现在对棒束单相流动传热的CFD分析,均是在确定的几何条件以及初始边界条件下进行模拟,但真实的物理情景或者过程存在大量的不确定性,比如试验工况不稳定带来的流体物性参数的不确定性、试验段加工及安装误差带来的不确定性等,这些不确定性会对CFD模拟结果的可信度带来挑战,然而目前国内外尚无针对棒束流动传热CFD的不确定性量化分析方法研究。本文基于韩国原子能研究院(Korea Atomic Energy Research Institute,KAERI)4X4单相棒束流动传热试验,通过商业CFD软件STAR-CCM+的模拟结果与试验数据的比较,首先总结出单相棒束流动传热CFD分析的最佳实践方法,包括网格的划分方法、湍流模型的选择以及边界条件的设置等。然后在最佳实践方法的基础上,针对CFD不确定性的三种来源(数值方法、试验数据以及输入参数),利用敏感系数法重点分析输入参数的不确定性,主要通过分析壁面函数中k对压降的影响以及湍流普朗特数s_t对传热系数的影响,尝试总结出棒束单相流动传热CFD的不确定性量化分析的敏感系数法。结果显示对压降预测的不确定性为108.72Pa,对传热系数预测的不确定性为973.96W/K×m~2。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL352;O35
【部分图文】：

定位格架,叶片,形式

性会对结果的可信度带来挑战[17]。1.2 国内外主要研究现状1.2.1 CFD 在棒束单相流动传热分析中的应用单相 CFD 分析正被越来越广泛地应用于压水堆燃料组件及定位格架的设计中。早在 2000 年，韩国 KAERI 研究所的 In[18]已经开始利用 CFX 分析了拆分叶片、侧撑叶片、旋流叶片及扭转叶片。In 在 CFD 几何模型中对格架几何进行了简化：假设条带、叶片为无限薄的面，并且忽略了条带上的弹簧、拱面等细微结构。由于计算能力限制，In 仅分析了一个子通道的流动。格架上游延伸 65mm作为计算区域的入口，其出口在下游延伸 300mm 处。在间隙的边界上采用连续流动边界条件来模拟子通道之间的交混流动。而在入口边界采用光棒计算得到的充分发展流场参数，出口采用压力边界。

网格图,定位格架,网格,几何模型

上海交通大学硕士学术论文In 采用的网格如图 1-2 所示。在划分有剪影的拆分叶片的单子通道几何模型时，In 采用了 176 个块进行网格划分，网格总数约 24.3 万；针对无剪影的拆分叶片单子通道几何模型，采用 180 个块进行网格划分，网格总数约 24.7 万；其中侧撑叶片的网格总数约为 18.5 万，其几何模型分为 112 块；旋流叶片的网格总数约为 22.4 万，其几何模型被分为 100 块；扭转叶片的网格总数约为 25万，其几何模型被分为 96 块。壁面的 y+在 15 至 50 之间。

速度分布,叶片结构

是二阶的压应力关系式，并且应用低雷明：计算得到的壁面剪切力与速度分布和分布和二次流有着很大关系。但是在 200棒束（P/D=1.06）是不适用的。接着他利观的震荡现象，并且在排列紧密的棒束堆 17x17 组件的 1/4 进行了 CFD 模拟（大尺度涡流）格架的性能。图 1-3 所示（大尺度涡流）格架的几何模型。SSVF 与相向导流两种。Lee 在实际分析中，在少纵向的模拟长度；而在组件边界处采高度方向，模拟一跨 33Dh区域。

【参考文献】