【摘要】：球床熔盐堆是固态燃料熔盐堆的一种,由于球床几何形态复杂,直接建模形式的计算机模拟建模困难、计算量大,因此在球床堆堆芯热工水力数值模拟时一般使用多孔介质模型简化等效。多孔介质模型将多孔介质区域等效为单相介质区域,在该区域的动量方程中添加附加阻力压降,在能量方程中使用等效的对流换热系数。而模型中用于计算附加阻力压降和对流换热系数的公式都具有经验性质,且依赖于具体的研究对象。熔盐堆目前尚未有公开发表的相关实验数据,也没有经验证的相关公式。本研究使用直接CFD(Computational Fluid Dynamics)建模方法,利用Ansys_Fluent 14.5程序建立了60mm直径小球的球床模型,采用球壳均匀热流密度假设,使用对球床流动与换热模拟具有较好适应性的SST湍流模型,模拟了球床内的熔盐流动与换热,得到了流动压降和对流换热系数。基于模拟结果,评价已有公式用于计算球床熔盐堆堆芯流动压降和对流换热系数的有效性,并对偏差较大的公式进行修正,最终得到了球床中熔盐流动与换热的等效多孔介质模型压降和对流换热系数公式,为熔盐堆堆芯热工水力研究提供参考。研究中首先对比了球间触点的两种处理方法(增加间隙和圆柱桥接)对球床内流动与换热模拟结果的影响,对在主流方向包含三个基本单元的基于FCC排列规则球床的模拟结果表明:相邻小球相切的情况下(点接触),用于桥接处理的圆柱半径小于等于6mm时,圆柱对压降和换热系数影响不大;相邻小球的间隙大于1mm时,使用圆柱桥接时的压降模拟结果随着圆柱半径的增大而不断增大。对于规则球床,建立了一种具有11个对称单元的规则球床堆积模型,采用增加球间隙的处理方式,模拟了球床中的流动与换热。相对于熔盐流动压降模拟结果,Ergun公式和KTA压降公式预测值均偏大,且偏差均在50%以上。而相对于对流换热模拟结果:Wakao公式预测值偏小,偏差在20%以内;KTA换热公式预测值偏大,偏差基本在25%左右。最后,利用模拟结果对已有公式进行了修正,分别得到了修正的等效压降和换热系数公式。对于随机球床,在相切小球间使用6mm半径小圆柱桥接。相对于熔盐流动压降模拟结果:KTA压降公式预测值偏差在5%以内;而Ergun公式预测值偏大约20%,如需使用该公式形式则需要进行修正。对于熔盐对流换热系数,结果表明:对流换热系数在球床大部分区域分布较平均,取该区域换热系数平均值作为参考值,球床壁面区域偏大约10%,球床中心区域则偏小12%左右;参考值介于Wakao和KTA换热公式预测值之间,最大偏差都达到20%。最后,基于对流换热系数结果对已有公式进行修正,结果表明KTA形式拟合误差较小。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL426
【参考文献】
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2719133
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