摇摆条件下矩形通道内冷却剂温度与流场分析

运用流体计算软件模拟计算和分析了处于船用反应堆某处的矩形冷却剂通道在随船体摇摆运动时冷却剂的温度和流场。在计算过程中,考虑了由于船体摇摆运动而引起的流量孔板流量分配的变化对矩形通道入口速度的影响。由计算结果发现,在船体摇摆过程中,通道内冷却剂温度和流场是由船体运动而造成的通道入口冷却剂平均流速变化和通道随船体摇摆共同作用的结果。当通道入口冷却剂平均流速变化较大时,通道内冷却剂温度和流场的变化主要体现了冷却剂流量变化;而当通道入口冷却剂平均流速变化较小时,通道随船体摇摆对冷却剂温度和流场的影响明显。     

压水堆下腔室流场对堆芯流场和温度场影响数值分析

利用三维数值模拟,对不同环腔厚度和环腔内冷却剂速度条件下,下腔室内冷却剂流场进行了计算。在此基础上,对压水堆流量孔板冷却剂流量的分配情况进行了分析,并找出了通过流量孔板通孔小组的冷却剂流量与平均流量的最小偏差。分别计算了最小偏差条件下与平均流量条件下,堆芯内板状燃料元件周围冷却剂的流场和温度场。发现由环腔厚度或环腔内冷却剂速度不同而引起的下腔室流场分布不均匀,对堆芯内冷却剂流场和温度场影响较大。     

矩形窄缝通道内再淹没过程骤冷温度研究

反应堆失水事故后，堆芯再淹没过程是维持燃料元件完整性以及缓解事故严重程度的重要手段之一。骤冷温度是再淹没过程关键参数，对了解再淹没过程先驱冷却与骤冷过程有着重要意义。本文基于双面加热的矩形窄缝通道试验装置，研究了矩形窄缝通道内再淹没过程，探究了初始壁面温度、加热功率、冷却剂流速、冷却剂过冷度、压力等对骤冷温度的影响，并通过量纲分析手段，提出了矩形窄缝通道内骤冷温度预测模型。结果表明，骤冷温度随初始壁面温度、加热功率、压力的升高而升高，与冷却剂流速与入口过冷度相关性较小，提出的骤冷温度预测模型预测效果良好。     

压水堆下腔室流量分布数值分析

建立了压水堆下腔室流场的三维数值计算模型,计算了不同环腔厚度和环腔内冷却剂速度条件下,下腔室内冷却剂的流场,分析了环腔厚度和环腔内冷却剂速度对下腔室流向堆芯的流量分布的影响。入口速度不同或环腔厚度不同,在下腔内冷却剂流动形成漩涡的位置、大小和流动速度均会发生改变,导致通过流量孔板通孔的流量分布不同。入口速度较低时,流量孔板上所有通孔的流量分布比较均匀,在平均值附近波动,流量最高的通孔小组出现在边缘处;入口速度较高时,流量明显地呈现出中心高边缘低的特点。通孔小组的流量最大值随着环腔厚度增加由孔板的中心向边缘移动。     

中国先进研究堆标准燃料组件三维流场分析

采用计算流体力学软件CFX4.4和CFX5.5对中国先进研究堆标准燃料组件流场进行了数值模拟。计算得到了额定工况下标准燃料组件内各个冷却剂通道的流量分布和不等间隙通道燃料板两侧压差。根据不同流量下的压降计算结果,给出了标准燃料组件的阻力特性曲线,并与试验结果进行了比较,符合较好。     

基于CFD方法的自然循环反应堆冷却剂流动特性分析

运用计算流体力学(CFD)方法对自然循环反应堆冷却剂流场进行计算模拟。分析发现,采用剪切应力传输模型(SST)与雷诺应力模型(SSG)进行流场计算,其结果基本一致;CFD流量计算结果与系统程序Relap5流量计算结果基本一致。对反应堆堆芯采用闭式通道和设置提升筒的方案进行论证分析发现,两种方案均对流量分配产生影响,使流量分配特性与堆芯径向功率分布更加接近,从而实现流量分区。     

辐照变形条件下板型燃料组件内热工水力特性研究

考虑流体与燃料组件辐照变形行为之间的相互作用,即双向流固耦合可以使辐照变形计算结果更加符合实际和更为准确,本研究基于Fluent-MpCCI-Abaqus流固耦合技术,实现了对板型燃料组件和冷却剂三维精细流固耦合的模拟,并采用Fluent共轭传热方法对Fluent-MpCCI-Abaqus流固耦合技术进行了对比验证,结果表明两者计算结果符合良好。另外,采用热膨胀方法研究了燃料板辐照肿胀变形程度对流场和温度场的影响,计算结果表明,肿胀变形程度对冷却剂各通道的流量分配和出口温度影响较大,当燃料板肿胀变形量为0.39 mm时,总流量降低为无肿胀变形条件下的72%,各通道流量也随之降低,且变形程度大的通道变化更加显著;随着燃料板肿胀变形程度的升高,中心通道的冷却剂出口温度变化显著,从无变形到变形量为0.39 mm,出口温度从558 K升高到573 K,冷却剂温度上升15 K。     

快堆燃料组件的子通道分析

开发了ＴＨＡＳ－ＰＣ２子通道分析微机程序，用于计算稳态和瞬态工况下快堆燃料组件的流量、温度和压力等参量分布。对ＥＦＲ燃料组件的稳态和瞬态计算结果如下：堆芯出口平均温度和温长分别为５５７℃和１５７℃，最高包壳表面温度为６０１℃，它发生在中心燃料棒上，最大冷却剂温度为５９３℃；主泵断电二次停堆事故作为瞬态计算，算得的最高冷却剂温度和最高包壳表面温度分别为６３０℃和６３７℃（当ｔ＝２ｓ时），它们都远低于     

矩形通道速度边界层可视化实验研究

板状燃料组件结构紧凑、冷却剂通道狭窄，其边界层流场特性是决定矩形通道与常规通道内单相流动和传热特性存在差异的重要因素。本文采用粒子图像测速(PIV)技术，对间隙为2 mm和3 mm的矩形通道的速度边界层进行了可视化实验研究，分析了矩形通道边界层内速度分布、雷诺切应力等流场特性，探究了通道间隙对边界层的影响规律。实验结果表明，矩形通道的湍流边界层无量纲速度分布符合Spalding公式，在距离窄边壁面0.2～0.3 mm范围内存在雷诺切应力峰值区，随着雷诺数的增加，速度边界层的黏性底层逐渐减薄，对数律层占比增大，雷诺切应力峰值区向壁面方向靠近。减小矩形通道间隙，将会限制近壁面速度剖面的发展，使得近壁面速度梯度增大，湍流强度减小。     

铅铋快堆单盒环形燃料组件典型堵流事故分析

铅铋冷却环形燃料组件具有许多安全性优势，但在其运行过程中由于铅铋冷却剂的腐蚀作用，易发生堵流事故而导致传热恶化，从而危及第一道屏障的完整性，为此，亟须开展铅铋快堆环形燃料组件堵流事故研究。建立5×5单盒环形燃料组件模型，基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）软件Fluent对内外通道不同堵塞面积、堵块厚度，以及堵块轴向位置下的堵流工况进行模拟分析，分析了内外包壳温度分布、堵块附近流场的轴向速度分布、通道质量流量变化、堵塞处燃料元件径向温度分布以及热量分配，并与正常工况下计算结果进行对比。结果表明：随堵塞面积增加，堵塞区域包壳温度显著上升，回流区域范围扩大，燃料芯块最高温度点位置向堵块侧偏移，堵块侧热流密度减小；当堵塞份额较大时，随堵块厚度增加，各参数变化与上述结论类似；堵块位于入口处时包壳局部温升较堵块位于中心处时更小；且随堵塞面积、厚度的增加以及堵块位置向活性区入口的不断靠近，内通道流量损失程度明显增大，而外通道流量几乎不受影响，因此，内通道发生堵流事故时危害更为严重。     

Experimental investigation of natural circulation in a symmetrical loop under large scale rolling motion conditions

In ocean environment, the ship motion significantly affects the natural circulation behavior in ship-based integrated-type reactor. This paper theoretically and experimentally investigated natural circulation characteristics in symmetrical loops under rolling condition. Experiments were carried out on a test loop with a symmetrical configuration by simulating the structure of an accrual reactor. The theoretical results revealed that only angular acceleration contributes to the resultant force under zero power rolling condition. In a closed circuit with a uniform cross-section area, the angular acceleration force integral is proportional to the angular acceleration and the area enclosed by the circuit. The integral value varies over time and causes flow oscillations. However, the angular acceleration force does not influence the flow status in the shared part of the two symmetrical neighbor circuits due to force interactions. Rolling experiments with a zero power load confirmed these results. Full power experiments under rolling condition exhibited observable flow rate and temperature oscillations in each branch of the flow channel. The oscillations in the side flow channels had the same values for both the period and the phase with the variation of rolling angle. The angular acceleration force was the main cause of this. The oscillations in the middle channel had a period half the value of the rolling period. The periodical variation of the vertical component of gravity caused this. The horizontal component of gravity was out-phasing with angular acceleration. Therefore, it alleviated oscillation in the side channels. The experimental results showed that for the same rolling period, as the rolling angle increased, the average flow rate decreased and oscillation amplitudes increased. Also, as the power load increased, the oscillations in the middle channel increased and the oscillation in the side channel decreased.     

板型燃料组件内部温度场数值模拟

以板型燃料组件为研究对象，采用商用流体力学计算程序CFX5对板型燃料组件内部温度场进行数值模拟。数值计算结果表明：燃料组件不同流道的流速分布和温度分布均较均匀，单一流道的流速分布和温度分布也较均匀。燃料板所构成的各流道从外到内流速变化不太大，在中间流道内流速稍小一些，但差值很小；燃料组件单一流道内的流速在壁面附近快速减小，壁面上流速为0。燃料板和定位梳的温度最高，侧板温度与板间流体温度相近，侧板外侧的流体温度较低。     

Study on the influences of ionization region material arrangement on Hall thruster channel discharge characteristics

There exists strong interaction between the plasma and channel wall in the Hall thruster,which greatly affects the discharge performance of the thruster.In this paper,a two-dimensional physical model is established based on the actual size of an Aton P70 Hall thruster discharge channel.The particle-in-cell simulation method is applied to study the influences of segmented low emissive graphite electrode biased with anode voltage on the discharge characteristics of the Hall thruster channel.The influences of segmented electrode placed at the ionization region on electric potential,ion number density,electron temperature,ionization rate,discharge current and specific impulse are discussed.The results show that,when segmented electrode is placed at the ionization region,the axial length of the acceleration region is shortened,the equipotential lines tend to be vertical with wall at the acceleration region,thus radial velocity of ions is reduced along with the wall corrosion.The axial position of the maximal electron temperature moves towards the exit with the expansion of ionization region.Furthermore,the electron-wall collision frequency and ionization rate also increase,the discharge current decreases and the specific impulse of the Hall thruster is slightly enhanced.     

矩形窄缝通道底部再淹没实验研究

为了解矩形窄缝通道在失水事故（LOCA）下底部再淹没过程中的热工水力特性,在不同实验条件下开展再淹没实验研究。矩形窄缝通道由2块因科镍合金焊接而成,本研究根据温度变化曲线分析底部再淹没过程,计算并对比不同实验工况下的骤冷前沿的推进速度（骤冷速度）,以及研究实验参数对再淹没过程的影响。实验结果表明,底部再淹没骤冷速度随着系统压力增大、进口流速增大、初始壁面温度降低以及冷却水过冷度的增大而增大。对比分析底部与联合再淹没工况,结果表明流量相同的情况下,底部再淹没的骤冷速度大于联合再淹没。本文研究为板状燃料元件反应堆事故预防以及事故缓解等研究奠定了基础。      

An exact solution for the moving boiling boundary problem

An exact transient solution of the fluid velocity and temperature fields in a one-dimensional incompressible flow within a non-uniformly heated channel is presented. The first order partial differential equations for mass and energy conservation governing this problem are solved using Laplace transform technique. An analytical expression for the boiling boundary (BB) location as a function of time is derived from the temperature field solution when the saturation temperature is inserted. Results obtained reveal the interesting behavior of the temperature field and BB in space and time due to a step change in the fluid inlet mass flow rate.     

Distributed parameter analysis for the prediction of the fine structure of flow and temperature fields in wire-wrapped fuel pin bundle geometries

This paper describes the numerical method of a distributed parameter analysis code SPIRAL for the calculation of fluid flow and temperature in arbitrary channel geometries, discusses the numerical method in the modeling and solution of the problem, and presents some results, including comparison with experiments.

The derivation and solution of the finite element equations is discussed. In order to overcome difficulties arising from the geometry, the Galerkin finite element method using isoparametric elements was employed, and a procedure of finite element generation using curvilinear coordinate system was developed.

The SPIRAL code permits calculation of the fine structure of the multi-dimensional steady-state single-phase fluid flow and temperature fields in LMFBR fuel pin subassemblies in the presence of wire spacers. Calculated results are presented for crossflow velocity distributions and crossflow pressure drop characteristics in a tube bundle geometry with and without wire spacers, natural convection and heat transfer in horizontal annuli, flow in a wire-wrapped 7-pin bundle geometry and fully developed turbulent flow in a parallel 4-rod array contained in a rectangular duct.     

非稳态条件下平板通道内层流速度分布研究

针对平板通道内非稳定条件下层流的速度分布特点及阻力特性进行了理论和实验研究。基于非稳态条件下平板通道内的数学模型,分析了初始速度分布、压力梯度变化率、加（减）速时间对瞬时速度分布的影响。结果表明：非稳态层流的速度分布特点与通道尺寸、流体性质、压力梯度变化率和加速时间有关;相同截面平均流速条件下,加速情况下的中心流体速度小于稳态的,且加速流动使沿程流动损失增加,减速流动则恰好相反,实验验证结果与理论分析结果符合良好。     

脉动流下棒束通道内流场与湍流特性的PIV实验研究

事故条件下路基核反应堆以及受到海洋条件附加惯性力影响的浮动核反应堆一回路冷却剂会处于非稳定流动状态,进而改变冷却剂的流动和传热特性,影响反应堆的安全运行。本文应用锁相粒子图像测速（PIV）以及折射率匹配技术分别对脉动流条件下有无定位格架棒束通道内瞬时速度进行了测量。实验结果表明：对于不带定位格架的棒束通道,加速使得靠近通道壁面附近流体速度变大,而靠近中心区域流体速度变小。此外湍流强度分量随流体加速而逐渐变小,随流体减速而逐渐增加。对于流向压力梯度驱动的周期性脉动流,横向脉动速度均方根分量u′滞后于流向脉动速度均方根分量v′,且二者都滞后于流速的变化;对于带定位格架的棒束通道,带有搅浑翼的定位格架强烈的交混作用极大地减小了流体加速度对棒束通道内速度分布和湍流强度带来的影响。实验结果有助于更加清晰地揭示脉动流在棒束通道中的作用机理。