压水堆格架棒束通道CHF数值预测模型开发及方法研究

发布时间：2020-11-11 11:55

　　 准确预测压水堆格架棒束通道的临界热流密度(CHF),对燃料组件格架的设计及筛选具有重要的指导意义。当前研究中采用数值方法预测格架棒束通道临界热流密度的研究较少。本文基于理论研究及实验数据开发新的活化核心密度模型,构建了适用于压水堆高压工况的两相CFD数值模型,基于两相CFD模拟,并结合格架棒束通道的特点及CHF预测的原理,提出了适用于格架棒束通道CHF数值预测的模型及方法,为燃料组件格架的设计提供新的辅助手段。压水堆燃料组件通常运行在高压的工况下,现有的活化核心密度模型在高压工况下的适用性存在不足,因此本文基于理论分析及实验数据的拟合,开发了新的活化核心密度模型,该模型综合考虑了压力、接触角及壁面过热度的影响,通过与实验数据的对比,验证了模型的正确性,在高压区域预测精度良好。对两相CFD模拟过冷沸腾两相流动所需的各个子模型进行敏感性分析,掌握各个子模型对两相分布的影响,并结合实验数据,对各个子模型或相关系数进行筛选,构建适用于压水堆高压工况过冷沸腾模拟的数值模型,主要采用考虑高压影响的活化核心密度模型及汽泡脱离直径模型。在准确模拟过冷沸腾两相流动的基础上,提出基于沸腾曲线二次转折的CHF预测方法。以均匀加热圆管为对象,对该预测方法在不同工况下的预测精度进行了研究,大部分工况预测精度良好,但在高局部含汽率、低质量流量和低压力下的预测精度较低。同时研究发现非均匀加热工况与均匀加热工况的结果有所不同,基于壁面温度和空泡份额的峰值,首次对非均匀加热工况的CHF进行了数值预测,预测得到的CHF值及CHF发生的位置都与实验符合良好。基于上述模型及CHF预测方法,对压水堆格架棒束通道的CHF进行了数值预测研究。首先研究了子通道的情况,对PSBT实验子通道部分进行了数值模拟,与实验数据符合良好,建立的CHF预测方法适用于子通道。针对格架棒束通道的特点,对构建的数值模型进行适应性调整,模拟了全长尺寸格架棒束通道内过冷沸腾两相流动,在CHF预测所关注的高空泡份额区域,与实验值符合良好,并在两相分布的基础上,提出了压水堆格架棒束通道CHF的预测方法。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL421.1
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 活化核心密度的研究现状
        1.2.2 燃料组件棒束通道内两相分布研究现状
            1.2.2.1 简单结构中两相CFD分析
            1.2.2.2 燃料组件棒束通道内两相分布实验研究
            1.2.2.3 燃料组件棒束通道内两相CFD数值模拟
        1.2.3 CHF预测方法研究现状
            1.2.3.1 经验关系式方法
            1.2.3.2 机理模型
            1.2.3.3 CHF查询表方法
            1.2.3.4 流体模化方法
            1.2.3.5 基于CFD的预测方法
        1.2.4 研究现状小结
    1.3 研究目标与内容
第2章 活化核心密度模型的开发及验证
    2.1 模型的初步构建
    2.2 各个参数的影响
        2.2.1 接触角的影响
        2.2.2 壁面过热度的影响
        2.2.3 压力的影响
        2.2.4 新模型的关系式
    2.3 模型中系数的确定
        2.3.1 接触角随壁面温度的变化
        2.3.2 壁面过热度的影响
        2.3.3 其他系数的值
        2.3.4 新活化核心密度模型
    2.4 模型的验证
    2.5 本章小结
第3章 高压下过冷沸腾数值模型的构建
    3.1 两相CFD模拟过冷沸腾的基本数值模型
        3.1.1 欧拉两流体模型
        3.1.2 两相间的动量传递
        3.1.3 两相间的能量、质量传递
        3.1.4 汽泡直径的处理方式
        3.1.5 壁面沸腾模型
    3.2 过冷沸腾数值模型的敏感性分析及改进
        3.2.1 基准模型的构建
        3.2.2 实验概况及网格敏感性分析
        3.2.3 湍流耗散力系数
        3.2.4 升力和壁面润滑力
        3.2.5 汽泡直径的分布
        3.2.6 汽泡合并与破裂因子
        3.2.7 活化核心密度模型
        3.2.8 各个模型对两相分布影响的综合分析
    3.3 过冷沸腾两相流动数值模型的综合验证
    3.4 本章小结
第4章 临界热流密度预测方法研究
    4.1 均匀加热工况CHF的数值预测
        4.1.1 CHF的预测方法
        4.1.2 临界位置的判定
        4.1.3 临界空泡份额的影响
        4.1.4 不同工况对CHF预测精度的影响
        4.1.5 提高CHF预测精度的方法
    4.2 非均匀加热工况CHF的数值预测
    4.3 本章小结
第5章 格架棒束通道CHF预测数值模型及方法
    5.1 子通道内两相流动及CHF的数值预测
        5.1.1 实验概况
        5.1.2 几何建模及网格划分
        5.1.3 网格的敏感性分析
        5.1.4 S-Gamma模型的敏感性分析
        5.1.5 多个子通道工况的数值预测
        5.1.6 截面空泡份额的详细分布
        5.1.7 子通道CHF的数值预测
    5.2 格架棒束通道内两相流动及CHF的数值模拟
        5.2.1 实验概况
        5.2.2 格架的几何建模及网格划分
        5.2.3 单个搅混格架的网格敏感性分析
        5.2.4 全长尺寸5×5格架棒束通道的网格划分
        5.2.5 全长尺寸5×5格架棒束通道内两相流动的数值模拟
        5.2.6 全长尺寸5×5格架棒束通道CHF的数值模拟
    5.3 本章小结
第6章 结论与建议
    6.1 结论
    6.2 论文主要创新点
    6.3 建议与展望
参考文献
致谢
附录A 均匀加热圆管CHF预测工况
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

【参考文献】

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本文编号：2879149