类三角形棒束子通道内超临界水流动传热数值研究

发布时间：2020-04-23 12:56

【摘要】：超临界水冷堆作为第四代新型反应堆之一具有广阔的应用前景,研究超临界水冷堆堆芯热工水力特性是一件非常有意义的工作。目前针对棒束通道内超临界水的试验研究由于受技术和成本限制还很少,而且得到的试验数据远不能满足超临界水冷堆的研发和设计的需求。本文在类三角形子通道内超临界水流动传热试验基础上,采用数值模拟的方法对棒束通道内超临界水流动传热特性进行全面深入的研究。为研究三角形棒束子通道内流动传热特性,以燃料棒直径为8 mm,栅距比P/D为1.4,壁面厚度为2.5 mm的类三角形通道为研究对象建立流固耦合数值模型,采用计算流体力学软件CFX 14.0,对通道内流体温度场、流场、壁温及传热系数进行数值计算,并且分析湍流模型、系统参数和定位格架的影响规律。计算结果表明,SSG模型计算得到的子通道壁温的轴向分布最低,与试验数据符合最好,RNGκ-ε模型的壁面温度最高;壁面温度、流体温度、二次流速度和湍动能的周向分布规律相似,在直段和弧段的夹角位置最高,在弧边中点处最低,说明子通道内周向换热不均匀;外壁温比内壁温周向分布更均匀,SSG模型计算得到的壁面温度周向分布最均匀。湍流模型的选择对流体平均温度和主流平均速度轴向分布影响很小;在子通道横截面,流体温度、二次流速度和湍动能从中心到内壁面沿径向递增,而主流速度的径向分布规律正好相反;主流速度在近壁处周向分布不均匀,在夹角位置最小,在直边中点处最大;在?=0°特征线,SSG模型计算得到的主流相对速度径向梯度最大,主流速度变化最快,在?=33.7°特征线,SSG模型的主流相对速度在近壁面处最大,主流相对速度径向梯度最小,主流速度变化最慢,在?=60°特征线,RNGκ-ε模型的主流相对速度径向梯度最大,主流速度变化最快。SSG模型计算得到的二次流平均速度比其他模型大得多,近壁面处二次流较大的地方内壁温和流体温度较低;RNGκ-ε模型计算得到的平均湍动能最大,SSG模型比SST模型的湍动能的周向分布更均匀。综上所述,SSG模型计算得到的子通道内温度场、流场最均匀,传热特性最好。质量流率、压力和内壁面热流密度对超临界水传热特性的影响规律如下:在压力和热流密度不变的情况下,随着质量流率增大,内、外壁温度均降低,传热系数升高;质量流率的提高能够强化子通道内流体换热;超临界水比超临界气换热效果好。在低焓区,不同压力下的内、外壁温度和传热系数曲线基本重合;壁面温度在拟临界焓区的升高趋势比在低焓区和高焓区平缓;在高焓区,不同压力下的壁温差随主流焓增加逐渐减小;压力对传热系数的影响主要体现在拟临界焓区,传热系数随着压力增大而减小。热流密度越大,内、外壁温越高;在低焓区,热流密度的变化对换热系数影响较小,在大比热区和高焓区,不同热流密度下的传热系数差别较大,传热系数随着热流密度增大显著减小;说明热流密度对超临界水传热特性的影响小于对超临界气的影响。有定位格架的内、外壁温轴向分布比无定位格架的略低,在定位格架段差别尤其明显,说明定位格架能够强化子通道内流体的换热;同一截面上有定位格架的内、外壁温在0°到60°的变化趋势与无定位格架的基本一致,说明定位格架在此范围对周向传热的影响较小;有、无定位格架两种情况下的内、外壁温在相同周向角位置的温差在下游截面比上游小,表明在定位格架下游,随着轴向距离的增加,定位格架的强化换热作用逐渐减小。有定位格架时的流体平均温度与无定位格架的轴向变化趋势相似,无定位格架时的流体平均温度略高,但是流体平均温度在定位格架段出现先升高后又降低的剧烈变化;在定位格架段及其下游,横截面上流体温度在无定位格架时比有定位格架时周向分布更均匀。有定位格架时,子通道内流体质量流率、主流速度、截面二次流速度和湍动能的轴向分布规律相似,均在定位格架段先急剧升高后又迅速下降,主要是由于子通道流通面积在此处突然变化引起的。有定位格架时的二次流速度明显增大,流体质量流率、主流速度和湍动能的在定位格架内部及下游横截面周向分布非常不均匀。
【图文】：

示意图,试验段,横截面,示意图

3.1 数值计算模型3.1.1 试验模型本文的数值计算基于 SCWR 类三角形棒束子通道内超临界水流动传热试验展开，该试验是在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室高温高压试验台上进行的。试验件由直径为 22 mm，长度为 1000 mm 的 1Cr18Ni9Ti 不锈钢管加工而成，其横截面几何结构如图 3-1 所示，绿色区域代表流体通道，橙色区域表示固体材料。燃料棒呈三角形排列，直径 D=8 mm，栅距比 P/D=1.4，子通道壁厚为 2.5 mm，水力直径为 4.93 mm。试验段为垂直上升布置。如图 3-1 所示，沿主流流动方向，在试验段上依次设置六个横截面来测量壁温，距入口截面分别为 120 mm，280 mm，440 mm，600 mm，760 mm 和920 mm。试验段采用低电压大电流交流电直接加热，工质的流量由质量流量计测得，流体温度用布置在试验段进出口的铠装热电偶进行测量，外壁温度由布置在壁温采集截面上的 54 个热电偶测得，试验段的进出口压力用压力变送器测量。试验中所有的测量参数由数据采集系统自动采集后输入到工控机内进行处理。

壁温,试验段

3.1 数值计算模型3.1.1 试验模型本文的数值计算基于 SCWR 类三角形棒束子通道内超临界水流动传热试验展开，该试验是在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室高温高压试验台上进行的。试验件由直径为 22 mm，长度为 1000 mm 的 1Cr18Ni9Ti 不锈钢管加工而成，其横截面几何结构如图 3-1 所示，绿色区域代表流体通道，橙色区域表示固体材料。燃料棒呈三角形排列，，直径 D=8 mm，栅距比 P/D=1.4，子通道壁厚为 2.5 mm，水力直径为 4.93 mm。试验段为垂直上升布置。如图 3-1 所示，沿主流流动方向，在试验段上依次设置六个横截面来测量壁温，距入口截面分别为 120 mm，280 mm，440 mm，600 mm，760 mm 和920 mm。试验段采用低电压大电流交流电直接加热，工质的流量由质量流量计测得，流体温度用布置在试验段进出口的铠装热电偶进行测量，外壁温度由布置在壁温采集截面上的 54 个热电偶测得，试验段的进出口压力用压力变送器测量。试验中所有的测量参数由数据采集系统自动采集后输入到工控机内进行处理。
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL331

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