矩形通道堵流过冷沸腾特性研究

发布时间：2021-04-04 12:59

　　由于矩形冷却通道具有很大的长宽比,冷却剂中异物在长期运行过程中在矩形冷却通道内逐渐累积,会使流通面积减小导致局部冷却剂的堵流事故,从而威胁燃料元件完整性。本文在充分考虑燃料组件矩形窄通道流动与换热特性基础上,选取合适的过冷沸腾特性数学物理模型,并采用RELAP5程序计算结果对比验证了数学物理模型的适用性。对堵流工况下运行压力、入口过冷度、功率密度、功率分布、入口不加热段长度等重要运行参数进行敏感性分析,研究其对温度分布以及空泡份额的影响。结果发现改变功率分布对于堵流后果的影响最显著,对称的功率分布输入下燃料元件的释热效果明显好于其他两种非对称功率分布,而且在对称功率分布下堵塞流道冷却剂的局部温度峰值也有所提高,余弦分布形式下堵塞通道内冷却剂峰值温度相对非对称分布高10K左右。余弦分布和功率峰偏上分布形式下,堵塞通道内冷却剂发生局部沸腾,空泡份额分别为0.12和0.009。 

【文章来源】：核科学与工程. 2020,40(02)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

计算对象几何模型

图1 计算对象几何模型流体域与固体域统一采用ANSYS软件包中的ICEM CFD进行网格划分，由于计算域本身的几何结构非常简单规整，故统一采用非结构化的六面体网格，即可获得极高的网格质量。这对于后续的计算求解过程是非常有利的。在燃料组件的入口、出口以及近壁面处流动过程可能会发生剧烈的变化，为了较为准确地评估这些变化对于流场以及温度场的影响，在燃料组件的入口、出口附近以及近壁面处均进行了网格加密。

针对与CFD计算相同的5块平行板组成的组件，在冷却剂流道无堵塞的条件下，采用SCDAP/RELAP MOD3.4程序计算了窄矩形通道内冷却剂流动与换热的情况，对CFD模型进行了验证。燃料组件与冷却剂之间换热采用默认的对流换热关系式。如图3所示两种计算方法下描述了冷却剂、包壳和燃料轴向温度分布的比较。温度分布存在细微差异，但是CFD模拟结果与RELAP5计算结果曲线走势基本一致，可以说明CFD模拟结果的正确性和准确性。计算结果表明冷却剂沿轴向单调上升，包壳和燃料的最高温度并未出现在冷却剂通道的出口，而是位于中间偏上区域，这与燃料的功率分布是一致的。此外，整个通道的燃料温度最高，冷却剂温度最低，这也符合基本的换热原理。图4所示为组件横截面上（垂直于元件厚度方向）温度分布对比，结果表明，CFD模拟结果与RELAP5计算结果符合较好。


本文编号：3118079