压水堆棒束通道流动与传热耦合数值研究

发布时间：2020-06-26 12:00

【摘要】：燃料组件是反应堆内的核心部件,其热工水力性能直接影响着核电厂的安全性、可靠性和经济性。定位格架是燃料组件骨架重要的组成部分,其结构特性对棒束通道的流场和温度场起着决定性作用。定位格架上通常加装搅混翼以引导冷却剂产生横向流动,促进冷却剂搅混,改善燃料组件换热,因此含有搅混翼棒束通道的热工水力特性一直是国内外学者研究的热点。以实验的方式研究,难以还原压水堆内高温高压的环境,数值模拟作为一种具有安全、成本低、研究周期短等优势的设计工具恰好可以弥补实验研究的不足,利用CFD模拟研究棒束通道的热工水力特性具有很高的工程价值。本文首先利用Solidworks三维建模软件对棒束、定位格架、搅混翼等构件分别建模而后将实体进行装配。采用ICEM CFD软件利用混合网格的划分技术对流体域进行网格划分,并进行网格无关性检验。随后通过将计算所得格架下游的横向、轴向速度分布、沿程旋流因子及Nu数的波动与实验数据对比,验证CFD模型的可靠性,并选出最合适的湍流模型。然后采用CFD方法比较分析了搅混翼的偏折角、长度、间距及排布对棒束通道的热工水力特性的影响,最后对比分析了加设周期性边界条件的四通道模型和5×5模型的流场和温度场,分析了周期性边界条件用于简化数值模拟中棒束规模的合理性,并比较了不同位置子通道的热工水力特性。通过对数值模拟的结果进行比较分析得出以下结论:通过与实验数据的比较,CFD模型得到了验证,并且和前人计算的结果相比,本文计算结果与实验数据更加贴近。与标准k-ε模型和雷诺应力模型相比,SST k-ω模型在反映棒束通道内的热工水力特性时更为准确;搅混翼偏折角的改变会对棒束通道流场、压降和换热能力有很大的影响,而搅混翼长度的变化则影响甚微;增大偏折角会使换热得到明显改善,但却要以增加压降作为代价;搅混翼长度增加,压降稍有增加,换热也稍有改善;搅混翼间距改变,压降变化不大,棒束通道流场发生明显变化,同时间距的增加也会改善棒束通道换热;搅混翼排布方式发生改变,流场发生显著变化,各排布压降相差不大,其中交替排布的换热性能最好;将周期性边界条件用于简化棒束规模的计算中有一定的合理性,但计算结果与5×5棒束通道模型存在差异。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL352
【图文】：

哈尔滨工程大学硕士学位论文簧刚凸等夹持部件，仅保留格架和典型撕裂型搅混翼（split vane），完整定位格架图片和简化后的定位格架模型如图 2.1 所示。棒束在加装定位格架后，流道结构相对复杂，直接构建外流体域模型十分困难，故先构建实体，再进行外流域抽取。本文利用 SolidWorks 软件构建燃料棒、搅混翼和格架等实体，燃料棒采用拉伸凸台构建，格架采用拉伸凸台、拉伸切除功能构建，搅混翼采用基体法兰、绘制的折弯构建。将构建好的实体装配好后导入 ANSYS Workbench 中的Design Modeler 软件中利用 Enclosure 功能进行流体域的抽取以获得所需的外流体域。

（a）完整定位格架图片 （b）简化后定位格架模型图 2.1 定位格架示意图2.2.2 单跨格架几何模型单跨格架的几何模型为仅加装一层定位格架的棒束通道模型，用于不加热实验验证与探究搅混翼结构参数与排布方式的影响这两个部分。此模型采用 5×5 棒束结构，各结构尺寸参照 Karoutas[16]实验，燃料棒的棒直径为 9.5mm，棒间距为 12.7mm，定位格架的每一内条带上沿交叉点皆布置一对向相反方向偏折一定角度的搅混翼，实验中所用格架的最外沿没有加装交混翼，条带宽 40mm，厚度为 0.48mm，流体域整体尺寸为 68mm×68mm×660mm

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本文编号：2730280