TOPAZⅡ反应堆本体流固共轭传热数值模拟
发布时间：2021-10-11 23:11
TOPAZⅡ是用于为空间探索提供动力的一种反应堆,TOPAZⅡ堆本体内涉及液态钠钾合金流动,流体和冷却剂套管之间的换热、堆本体零部件的固体导热,反射层外壁面与外界的辐射换热等问题,本文利用计算流体力学程序CFX对TOPAZⅡ反应堆堆本体流固共轭传热进行数值模拟,数值模拟计算得到了全堆芯的流量分配数据,数据表明各通道流量分配因子偏差非常小;得到了活性区环形通道的壁面摩擦系数,摩擦系数反映了压降与流量的关系,与经验关系式计算得到的摩擦系数进行了对比,额定流量下的数值结果与经验关系式的偏差不到5%;数值模拟得到的努赛尔数与已发表的经验关系式进行了比较,最大偏差小于1%,验证了液态钠钾合金环管内的流动与换热数值模拟的可靠性与准确性。计算得到了详细的活性区慢化剂、端部铍反射层、侧铍反射层等的温度分布,所获得的计算结果可以为力学分析提供设计依据。
【文章来源】：核科学与工程. 2020,40(06)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
TOPAZ-Ⅱ反应堆本体（停堆状态）
以图2所示的TOPAZ-Ⅱ反应堆转换器为对象，可以采用分区的方法进行网格化法，上下上腔室分别为一个区域，中间37个冷却通道为第三个区域，中间的冷却通道区域两段分别用交界面与上腔室下栅格板、下腔室上栅格板相连。冷却剂上下腔室区域生成7层附面层贴壁网格。冷却剂周围的主要固体区域之间在区域设置上相互独立，以便灵活地的进行网格控制，固体区域在相贴的壁面上用交界面进行连接，用于数值模拟计算时热传导传递数据。计算结果与网格数目的敏感性方面，共划分了四套网格（见表2）进行计算，选择流体域NaK合金的最高温度和固体域慢化剂块的最高温度进行比较，从表中可以看出，网格总数在300万～400万的三套网格计算得到NaK合金最高温度、慢化剂最高温度之间的差距不到1℃，满足网格独立性的要求，后续给出的分析均为基于第四套网格的计算结果，第四套网格中具体的网格数目组成包括：流体域NaK合金2 802 616单元数；二氧化碳修补气体区域319 088单元数；慢化剂及端部铍反射层区域361 767单元数；侧铍反射层区域301203单元数；碳化硼吸收体区域54 096单元数；控制鼓体区域180 516单元数。1.3 材料物性
从表2可以得到NaK的Pr随着温度的变化曲线及拟合函数如图3所示，在高温区750～950K范围内，Pr在0.006左右，非常低的Pr意味着分子热传导在整个传热过程中占据着较大的比重。CFX前处理器提供了多种湍流模型，如常见的标准k-ε模型、k-ω、SSTk-ω等雷诺平均纳维斯托克斯涡粘模型（RANS),CFX前处理器中用自动近壁面处理方法（即壁面函数）对湍流流动中的近壁面的流动进行预测，而不需要精细化贴壁网格，在无量纲距离y+<300情况下，壁面函数均有效，且对y+没有最小值要求。表4为额定流量下部分数值结果针对湍流模型的敏感性，从中可以看出，三种常见的湍流模型得到的温度值相互之间的差距仅为0.2，但在反应流动和换热的特性数据来看，SST总体上更为接近经验关系式得到的值（见后文表5、表6）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Thermal–hydraulic analysis of space nuclear reactor TOPAZ-Ⅱ with modified RELAP5[J]. Cheng-Long Wang,Tian-Cai Liu,Si-Miao Tang,Wen-Xi Tian,Sui-Zheng Qiu,Guang-Hui Su. Nuclear Science and Techniques. 2019(01)
[2]基于MPS方法的液态铅铋合金内气泡上升流数值模拟[J]. 陈荣华,田文喜,左娟莉,苏光辉,秋穗正,许建辉. 核动力工程. 2011(05)
[3]ITER中国液态锂铅实验包层模块液态金属流动MHD效应数值模拟[J]. 王红艳,吴宜灿. 核科学与工程. 2006(02)
[4]钠冷快堆单个燃料组件冷却剂沸腾的数值模拟[J]. 石晓波,罗锐,王洲,杨献勇. 核科学与工程. 2004(04)
本文编号：3431422
【文章来源】：核科学与工程. 2020,40(06)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
TOPAZ-Ⅱ反应堆本体（停堆状态）
以图2所示的TOPAZ-Ⅱ反应堆转换器为对象，可以采用分区的方法进行网格化法，上下上腔室分别为一个区域，中间37个冷却通道为第三个区域，中间的冷却通道区域两段分别用交界面与上腔室下栅格板、下腔室上栅格板相连。冷却剂上下腔室区域生成7层附面层贴壁网格。冷却剂周围的主要固体区域之间在区域设置上相互独立，以便灵活地的进行网格控制，固体区域在相贴的壁面上用交界面进行连接，用于数值模拟计算时热传导传递数据。计算结果与网格数目的敏感性方面，共划分了四套网格（见表2）进行计算，选择流体域NaK合金的最高温度和固体域慢化剂块的最高温度进行比较，从表中可以看出，网格总数在300万～400万的三套网格计算得到NaK合金最高温度、慢化剂最高温度之间的差距不到1℃，满足网格独立性的要求，后续给出的分析均为基于第四套网格的计算结果，第四套网格中具体的网格数目组成包括：流体域NaK合金2 802 616单元数；二氧化碳修补气体区域319 088单元数；慢化剂及端部铍反射层区域361 767单元数；侧铍反射层区域301203单元数；碳化硼吸收体区域54 096单元数；控制鼓体区域180 516单元数。1.3 材料物性
从表2可以得到NaK的Pr随着温度的变化曲线及拟合函数如图3所示，在高温区750～950K范围内，Pr在0.006左右，非常低的Pr意味着分子热传导在整个传热过程中占据着较大的比重。CFX前处理器提供了多种湍流模型，如常见的标准k-ε模型、k-ω、SSTk-ω等雷诺平均纳维斯托克斯涡粘模型（RANS),CFX前处理器中用自动近壁面处理方法（即壁面函数）对湍流流动中的近壁面的流动进行预测，而不需要精细化贴壁网格，在无量纲距离y+<300情况下，壁面函数均有效，且对y+没有最小值要求。表4为额定流量下部分数值结果针对湍流模型的敏感性，从中可以看出，三种常见的湍流模型得到的温度值相互之间的差距仅为0.2，但在反应流动和换热的特性数据来看，SST总体上更为接近经验关系式得到的值（见后文表5、表6）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Thermal–hydraulic analysis of space nuclear reactor TOPAZ-Ⅱ with modified RELAP5[J]. Cheng-Long Wang,Tian-Cai Liu,Si-Miao Tang,Wen-Xi Tian,Sui-Zheng Qiu,Guang-Hui Su. Nuclear Science and Techniques. 2019(01)
[2]基于MPS方法的液态铅铋合金内气泡上升流数值模拟[J]. 陈荣华,田文喜,左娟莉,苏光辉,秋穗正,许建辉. 核动力工程. 2011(05)
[3]ITER中国液态锂铅实验包层模块液态金属流动MHD效应数值模拟[J]. 王红艳,吴宜灿. 核科学与工程. 2006(02)
[4]钠冷快堆单个燃料组件冷却剂沸腾的数值模拟[J]. 石晓波,罗锐,王洲,杨献勇. 核科学与工程. 2004(04)
本文编号：3431422
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3431422.html
