液态铅铋合金湍流普朗特数及RANS模型优选

工程上常采用RANS湍流模型进行热工水力相关的数值模拟,然而液态铅铋合金（LBE）具有独特的热物性,常规湍流普朗特数模型和RANS湍流模型对其流动与传热模拟的适用性有待研究。为更准确地描述绕丝燃料组件内LBE的流动与换热过程,本文基于大涡模拟对湍流普朗特数模型和RANS湍流模型进行优选。首先,采用四种湍流普朗特数模型对绕丝燃料组件内LBE的流动与传热过程进行大涡模拟,对比分析实验数据和模拟结果并进行模型优选。基于优选的湍流普朗特数模型,评价RANS湍流模型对LBE数值模拟的适用性和准确性。结果表明,Cheng湍流普朗特数模型和SST k-ω模型对LBE流动与传热模拟的准确性和适用性最高。     

三角形棒束内铅铋湍流普朗特数模型研究

为准确预测低普朗特数流体在燃料组件棒束子通道内的传热特性,需选取合适的湍流普朗特数模型。针对5种不同的湍流普朗特数模型,基于三角形棒束换热关联式,研究采用剪切应力传输（Shear Stress Transfer,SST）k-ω湍流模型,分析不同的棒束子通道结构,并与液态铅铋实验验证的换热关联式计算结果进行对比,分析不同棒径与节径比条件下各种湍流普朗特数模型的适用性。分析研究结果表明,整体湍流普朗特数模型不仅与雷诺数Re、贝克莱数Pe有关,还与节径比P/D有关;在节径比1.3～1.7范围内Kays学者提出的局部湍流普朗特数模型模拟结果与Mikityuk关系式计算值较为吻合;各种湍流普朗特数模型均有最佳的节径比适用范围。因此,相关模型能够用于不同节径比条件下三角形棒束子通道内铅铋传热特性的预测。     

液态金属钠在圆管内传热特性数值模拟研究

为研究液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的湍流传热特性，在已有实验研究的基础上，提出了k-ε模型下的湍流普朗特数Pr_t模型，并使用Fluent程序对圆管内的液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性进行了计算。理论设计值与已有实验结果进行对比，二者符合较好。根据本文提出的Pr_t模型，可较为精确地计算液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性。     

液态金属钠在圆管内传热特性数值模拟研究

为研究液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的湍流传热特性,在已有实验研究的基础上,提出了k-ε模型下的湍流普朗特数Pr_t模型,并使用Fluent程序对圆管内的液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性进行了计算。理论设计值与已有实验结果进行对比,二者符合较好。根据本文提出的Pr_t模型,可较为精确地计算液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性。     

环形通道内液态铅铋合金流动换热特性实验研究

通过对环形通道内液态铅铋合金的流动换热特性进行实验研究,得到了气泡泵注气对液态金属流动的影响,并拟合出环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数关系式和换热特性关系式。结果表明:采用气泡泵注气能有效提升铅铋合金的质量流速;相同Reynolds数下环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数大于由布拉休斯公式计算得到的摩擦系数;液态铅铋合金对流换热过程中,导热项占主导地位,并且Nusselt数随Peclet数的增大而增大。     

环形通道内液态铅铋合金流动换热特性实验研究

通过对环形通道内液态铅铋合金的流动换热特性进行实验研究，得到了气泡泵注气对液态金属流动的影响，并拟合出环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数关系式和换热特性关系式。结果表明：采用气泡泵注气能有效提升铅铋合金的质量流速；相同Reynolds数下环形通道内液态铅铋合金的摩擦系数大于由布拉休斯公式计算得到的摩擦系数；液态铅铋合金对流换热过程中，导热项占主导地位，并且Nusselt数随Peclet数的增大而增大。     

不同湍流模型对铅-铋凝固模拟的影响研究

为了研究不同湍流模型及湍流普朗特数(Pr_t)模型对模拟铅-铋凝固行为的影响，利用FLUENT对铅-铋管内流动凝固行为进行模拟研究。研究结果表明，尽管剪切应力传输(k-ω SST)模型、k-ε模型与雷诺应力(RSM)模型在模拟铅-铋传热时的差异可以忽略，但在相变过程中对温度场与压力场的模拟存在显著差异，应慎重选取湍流模型。另外对不同Pr_t模型对铅-铋的凝固行为模拟的研究表明，不同Pr_t模型对铅-铋的凝固行为模拟无明显差异。     

液态金属钠在环管中湍流传热特性研究

采用高雷诺数(Re)k-ε模型与壁面函数法对液态金属钠在环管中湍流流动传热特性进行计算,并与实验结果进行比较,结果表明计算值与实验结果符合较好。应用该方法研究湍流程度、加热条件、几何条件等因素对液态金属钠在环管中湍流传热特性的影响。研究表明,湍流程度对传热的影响主要集中在流道前半段,后半段分子扩散对传热的影响逐渐凸现出来,使不同湍流程度下传热特性的区别逐渐缩小;初始温度与加热热流密度对传热特性无明显影响;环管间隙增大,湍流传热效果增强,同等间隙时管径变化对传热特性无明显影响。     

旋向对螺旋管束内铅铋流动传热特性影响的数值模拟研究

螺旋管式直流蒸汽发生器（H-OTSG）被广泛应用于液态金属反应堆的设计中，其中相邻的径向螺旋管束可以布置为同一旋向或相反旋向，不同的旋向策略会影响到蒸汽发生器壳侧的流动行为。为探究不同旋向对螺旋管束中铅铋流动与传热特性的影响，采用剪切应力输运（SST k-ω）模型、湍流模型和Kays湍流普朗特数（Prt）模型对其进行数值模拟研究。首先通过现有液态金属横掠棒束实验对数值方法进行了验证；其次建立了同一旋向和交替旋向2种螺旋管束模型，比较了其传热和阻力的差异；最后从流场的角度对产生差异的原因进行了分析。结果表明，交替旋向的螺旋管束中的阻力和传热分别比同一旋向管束高7.1%和4.4%，这是因为交替旋向管束中的速度场更均匀且湍流交混更强。     

液态金属钠在圆管中湍流传热特性研究

采用高Re k-ε模型与壁面函数法对液态金属钠在圆管中湍流传热特性进行数值计算,并与文献实验结果进行了比较,计算值与实验结果符合较好。同时应用该方法研究了湍流程度和加热条件对液态钠传热特性的影响。结果表明：湍流程度对传热的影响主要集中在流道前半段,后半段分子扩散对传热的影响逐渐凸现出来,使不同湍流程度流体传热特性的区别逐渐缩小。初始温度与热流密度对传热特性无明显影响。     

基于OpenFOAM的液态金属铅铋三维流动换热特性数值模拟研究

铅铋快堆是第4代核能系统的主要堆型之一,但由于液态金属铅铋的热物性与传统工质如水、空气等有很大不同,假设流动边界层与热边界层相似的雷诺比拟原理已不再适用。本文在开源程序OpenFOAM中开发了基于k-ε-k_θ-ε_θ四因子模型的自定义求解器,考虑热边界层与流动边界层的差异性,对带绕丝棒束通道中液态金属铅铋的流动换热现象进行数值模拟,得到了速度、温度等重要热工水力参数的三维分布,揭示了绕丝对冷却剂流动传热过程的影响规律,并将计算结果与经典实验关联式进行对比,结果符合良好,证明了所用模型和程序的正确性。本研究可为在OpenFOAM中添加新模型、开发自定义求解器以及开展针对液态金属流动换热问题的计算流体动力学（CFD）模拟提供参考。     

湍流模型对瞬态流固耦合换热数值模拟影响分析

采用ANSYS Fluent程序建立了固体加热功率指数增长的气体冷却模型，分析了瞬态过程中的流动传热特性，通过数值模拟结果与3组实验数据进行对比，研究了标准k-ε模型、标准k-ω模型、过渡SST模型和RSM模型4种典型湍流模型对瞬态过程中流固耦合换热数值模拟结果的影响。通过分析发现：热负载指数提升过程中，热功率一部分用于对流换热，而另一部分仍留在固体内，且热功率提升速率越高，对流换热的占比越低；采用不同湍流模型模拟出的等效表面热流密度均低于实验值，且采用ε类湍流模型的模拟结果与实验数据更接近。     

10 mm垂直单管通道内超临界水传热弱化现象的实验与数值分析

超临界压力下的流体因拟临界点附近物性的剧烈变化,形成了非常奇特的传热现象。因流体密度突变,在低流量下会引起强烈的浮升力作用,对超临界流体的流动和传热均有极大影响。本工作通过实验获得10 mm单管内传热弱化现象的实验数据,并采用改进的低雷诺数湍流模型,使用数值方法模拟该传热弱化现象。计算结果表明,不同于以往传统的模型会高估壁面温度,改进的低雷诺数湍流模型能较好预测实验结果。数值模拟结果还揭示了浮升力对湍流剪切应力和速度分布的影响,进而引起传热弱化和传热恢复。     

超临界CO2在螺旋管中的流动换热特性研究

超临界蒸发器应用到核电中，可大幅提高机组的热效率。超临界压力流体的热物性在准临界温度附近变化非常剧烈，会对其流动和换热产生很大的影响。研究超临界压力流体在螺旋管内的流动和换热规律，有利于对超临界螺旋管蒸发器的设计。本文采用RNG k-ε和SST k-ω模型对超临界CO₂在螺旋管中的流动换热情况进行了数值模拟，发现SST k-ω模型模拟结果与实验结果符合得更好。基于此模型，分析了不同进口质量流速及不同热流密度对管壁温和换热系数的影响，发现随着质量流速的减小、热流密度的增加，峰值向远离h_pc的一侧偏移。最后讨论并分析了周向壁温和换热系数的分布情况，发现壁温在φ＝315°处最高，需在实验操作或实际运行中加以监控，以保障螺旋管蒸发器的安全运行。     

当量直径对超临界水流动传热特性的影响

以CFD商业软件FLUENT为计算平台,对圆管和圆环通道内超临界水流动传热特性进行数值模拟。通过对几种湍流模型的对比,选取在超临界条件下适用性相对较好的SST模型进行计算,分别比较不同热力当量直径和不同水力当量直径下圆管与圆环通道加热面壁温、边界层温度及速度的分布,研究热力当量直径和水力当量直径对超临界水流动传热特性的影响。结果表明,正常传热工况下,水力当量直径对超临界水流动传热特性有很大影响,而热力当量直径几乎无影响。圆环通道内流动传热关系式可基于圆管进行拟合,超临界水流动传热特性的其他影响因素还需进一步研究。     

CFX中湍流模型用于分析超临界水传热的适用性评价

通过两组典型实验数据,对商业软件CFX的12种湍流模型用于模拟超临界水竖直向上流动传热的性能进行评价。研究结果表明：强迫对流时,BSL代数应力模型与实验结果符合最好,但各模型间差异均不大;混合对流时,基于壁面函数的ε类型湍流模型不能模拟传热恶化趋势,自动壁面处理的ω类型湍流模型能模拟出传热恶化的趋势,但各模型预测结果和实验结果相差较大。评价结果表明近壁面的处理方式对模拟结果影响很大。此外,基于湍流普朗特数模拟湍流热流密度及未考虑密度脉动对传热的影响均是导致不能正确模拟超临界水传热行为的因素,建议对湍流模型进行改进。     

铅水反应中铅铋合金凝固的数值模拟

为了研究铅铋合金在蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故所引发的铅铋合金与水反应过程中的凝固机理,通过耦合VOF模型、Realizable k-ε湍流模型、凝固传热模型,利用FLUENT软件建立了铅铋合金与水反应过程的二维仿真模型,并将该模型与现有反应实验的结果进行对比验证。随后基于热焓法建立可以直观描述铅铋合金凝固现象的凝固传热特性热焓方程,通过控制模型变量研究影响铅铋合金凝固发生的因素及条件,最后将该模型应用于复杂结构场景中。结果表明,铅铋合金与水的温差、水流喷射初始速度、注水管径是影响铅铋合金凝固的主导因素,本文提出的模型具有较高可靠性,能够模拟实际工况中铅铋合金的凝固现象。本研究所得到的机理性结论与现象学结论能够为铅基快堆安全分析提供理论支撑。