300MW燃料组件定位格架导向翼三维流场分析

从三维流场分析角度验证了300MW燃料组件定位格架导向翼初步设计改进方案的合理性,采用流体计算软件对燃料组件定位格架或棒束定位格架进行计算,比较导向翼修改前后的定位格架水力特性和导向翼周围流场的变化,为实际工程应用提供了依据。     

“华龙一号”燃料组件设计研究及验证

介绍了"华龙一号"核电技术使用的CF3燃料组件的研发概况及设计特点,包括使用自主品牌的N36锆合金作包壳材料、厚壁导向管、热工性能优良且具有防勾挂功能的定位格架以及具有优良过滤异物功能的空间曲面下管座等。为确保CF3燃料组件在堆内使用的安全性和可靠性,结合"华龙一号"反应堆设计的具体要求,针对CF3燃料组件开展了工程应用的验证分析工作。验证结果表明,CF3燃料组件能够满足"华龙一号"核电技术的使用要求。     

秦山核电厂压水堆燃料组件定位格架设计

秦山核电厂压水堆燃料组件定位格架是六点支撑15×15排列弹簧定位格架。文中列出了设计依据和要求,介绍了计算和试验的结果,并详细地从物理、热工、水力、机械几个方面评价定位格架的设计。     

基于CFD方法格架局部阻力系数计算模型研究

为了研制高性能燃料组件,定位格架的阻力特性直接关系到燃料组件的热工性能和水力相容性。本文针对5×5规模的定位格架,从流动阻力的基本原理出发,利用CFD方法研究并建立了格架局部阻力特性的理论计算模型,并对计算结果进行验证。结果表明,基于计算模型获得的格架局部阻力系数与直接模拟结果基本一致,验证了计算模型的准确性。     

交混翼定位格架关键部件—交混翼角度/刚凸形状数值模拟研究

定位格架作为强化燃料组件热工水力性能最重要的结构,其对提高反应堆经济性和安全性至关重要,因此对其研究一直是实验和数值模拟的热点。交混翼和刚凸作为格架中的两个关键部件对格架的热工水力性能和机械性能都有着很大的影响。本文从基础研究的角度出发,通过与实验数据对比来验证CFD程序在绝热工况下压降的计算结果,然后将验证过的CFD模型运用到交混翼角度和刚凸形状对流场影响的分析中,并用程序CFX和程序STAR-CD做计算结果对比。     

压水堆燃料组件方形定位格架结构设计、工艺特点和性能评价

定位格架是压水堆燃料组件的重要部件,其设计优劣直接影响到反应堆的经济性和安全性。方形定位格架设计与研究历时八年之久,先后设计出几种结构形式的定位格架。热工、水力和力学等堆内外试验证明,其中一些结构形式的定位格架基本满足设计要求,在定位格架上方设置交混翼,使热工性能明显改善,与无交混翼格架相比,临界热流密度提高20%以上,这些定位格架均可以在工程上使用。     

低流量工况下燃料组件优化设计研究

为了探索适用于模块式小堆（SMR）的燃料组件优化设计,本文针对截短型CF2燃料组件在SMR参数范围下的热工-水力性能开展分析研究,获得搅混格架的间距及布置形式对于燃料组件热工-水力性能的影响规律。研究结果表明:①低流量工况下,搅混格架间距过长或过短都将降低燃料组件的热工性能,设计上应合理考虑搅混格架间距;② 燃料组件加热段上游区域的搅混格架布置对于提升SMR燃料组件的热工性能不明显,设计上在此区域应简化布置;③ SMR在正常运行与事故工况下,燃料组件的中下游区域的状态点参数相对恶劣,在中下游区域合理地设计搅混格架的间距与布置可以显著地提升燃料组件的热工性能,提高热工安全裕量。本文研究结果可为SMR燃料组件的设计优化提供参考。      

基于水力学力的定位格架防勾挂设计研究

定位格架是组成燃料组件的重要部件之一，与上、下管座共同构成了整个组件的外部轮廓。为减小燃料组件吊装过程中的勾挂风险，外条带上设置导向翼已成为定位格架结构设计上的重大改进。本文主要从燃料组件在堆芯的水力学环境出发，基于定位格架在堆芯运行过程中长期承受横向水力载荷可能造成外条带变形的考虑，采用计算流体动力学（CFD）方法，研究了定位格架外条带所承受的水力作用力，并为缓解外条带的受力情况进行了研究和方案设计。研究结果表明，在外条带上开孔能有效减小两侧压差，开孔的位置向下游方向移动效果更明显，同时开孔尺寸增大也能进一步减小两侧压差；更进一步地，将开孔位置移动到刚凸处，其平衡外条带两侧压力的作用更显著，外条带刚凸的开孔设计能更大程度地缓解外条带的水力作用。这些措施将对减小由于水力学力导致的外条带变形起到积极作用，从而在换料时有望降低燃料组件吊装过程中的勾挂风险。      

VVER反应堆燃料组件流动传热特性CFD分析

采用计算流体力学（CFD）方法对俄罗斯水-水高能反应堆（VVER）先进燃料组件（AFA）的流动传热特性进行模拟,获得了额定工况下燃料组件冷却剂流场、流动压降和温度分布等。结果表明:与内部含交混翼的格架相比,AFA燃料组件定位格架的压力损失较小;定位格架围板导向翼附近存在滞流现象,导致燃料组件外围区域冷却剂温度偏高;不同的测量管周向棒功率比K_c对燃料组件出口冷却剂温度的测量值有较大影响。该分析结果可为核电厂堆芯温升预警值ΔT_t的设定提供参考。      

棒束定位格架流动和传热特性研究综述

定位格架是反应堆堆芯燃料组件关键部件之一。定位格架的存在影响了堆芯的各种热工水力性能。性能优良的定位格架能改善堆芯燃料组件热工水力性能，提高临界热流密度而不致太增加压力损失。本文就国内外对带定位格架棒束通道内流动和传热特性研究现状和研究结果进行了综述。     

棒束及格架布置对燃料组件搅混特性影响的实验研究

以CPR1000核电机组使用的格架组装的5×5棒束燃料组件为对象,开展了多组全长棒束燃料组件搅混特性实验,重点分析了冷-热棒布置形式、格架布置形式等几何参数对燃料组件搅混特性的影响规律,实验结果表明,冷-热棒中心对称布置时的燃料组件热扩散系数更接近真值;跨间搅混格架对燃料组件总体热扩散系数有较小增强作用,但对于棒束压降的贡献很低。      

定位格架与子通道压力损失预测模型研究

定位格架与子通道压力损失的准确预测对定位格架和压紧系统设计以及临界热流密度关系式开发有着至关重要的影响。本文通过对典型定位格架结构识别,研究了典型定位格架子通道划分依据,重点研究了定位格架压力损失与子通道压力损失之间的关系以及子通道内各设计特征,包括不同设计的弹簧、刚凸、搅混翼、导向翼、条带等引起的压力损失特点。通过对子通道内各设计特征进行合理简化与抽象,以经典水力学阻力结果为基础,等效为圆管内具有一定倾角的平板,从而建立了子通道压力损失预测模型,进而建立了定位格架压力损失预测模型。计算结果显示模型能准确预测试验值。     

反应堆棒束通道搅混翼数值研究

定位格架上的搅混翼是核反应堆燃料组件中的关键部件，其性能对棒束通道热工水力特性有重要的影响。以带单层定位格架的5×5棒束为研究对象，对搅混翼排布方式及末端形状对格架下游的流场和温度场的影响进行数值模拟研究。计算结果表明，改变搅混翼的排布方式，压降几乎不受影响，但格架下游流场和传热情况却因排布方式的改变而发生显著变化；将搅混翼末端形状改为弧形，压降较典型撕裂型搅混翼没有明显差异，但换热情况得到明显改善。      

FOCUS-type fuel assembly for PWRs

In recent years the development efforts for Siemens PWR fuel assemblies were mainly concentrated on reducing the fuel cycle costs and increasing the operational reliability of the fuel assemblies.The first objective was aimed at increasing the average discharge burnup to > 50 MWd/kgU and increasing the critical heat flux. The high envisaged burnup required to develop a corrosion resistant cladding tube outside the Zry-4 range. The decision was made to use a Duplex cladding tube consisting of a corrosion optimized outer layer on a Zry-4 base material. A ZrSnFeCr alloy with reduced tin content was chosen for the outer layer. The critical heat flux could be increased by introducing mixing vanes on the spacer grids within the active length.To reach the second objective, reliable avoidance of spacer grid damage during core loading and unloading and reduction of fuel rod defects by debris fretting, the spacer grid corners were improved and a debris separation grid was developed.These design improvements were introduced into the new FOCUS-type fuel assembly. The name FOCUS stands for “Fuel assembly with Optimized Cladding and Upgraded Structure”.     

棒束通道内定位格架搅混特性PIV可视化研究

定位格架作为燃料组件中重要的组成部件之一，不仅在结构上固定燃料棒，而且在燃料组件内热工水力性能同样显著，特别是对工质的搅混性能直接关系到反应堆的经济性和安全性，因此有必要对燃料组件内定位格架搅混特性进行研究。本文通过粒子图像测速（PIV）技术开展了棒束通道内定位格架上下游流场的可视化研究，对比了有无格架棒束通道内流场的分布特征，定量分析了定位格架对棒束通道流场搅混的贡献。对不同流速下定位格架下游横纵速度的沿程变化特性进行研究，发现了不同流速作用下定位格架对横向、轴向速度的促进和抑制规律。另外，通过速度均方根对下游的湍流特性进行了评估。实验结果可为数值计算提供全场的数据验证，并可为定位格架设计和优化提供基础。     

A second order turbulence model based on a Reynolds stress approach for two-phase boiling flow and application to fuel assembly analysis

High-thermal performance PWR (pressurized water reactor) spacer grids require both low-pressure loss and high critical heat flux (CHF) properties. Numerical investigations on the effect of angles and position of mixing vanes and to understand in more details the main physical phenomena (wall boiling, entrainment of bubbles in the wakes, recondensation) are required.In the field of fuel assembly analysis or design by means of CFD codes, the overwhelming majority of the studies are carried out using two-equation Eddy Viscosity Models (EVM), especially the standard K-? model, while the use of Reynolds Stress Transport Models (RSTM) remains exceptional.The simulation of swirling flow generated by the mixing vanes plays an important role for the prediction of the CHF for the fuel assemblies. For this reason, according to [14] and [Mimouni et al., 2009b], rotation effects and RSTM model are more specifically addressed in the paper.Before comparing performance of EVM and RSTM models on fuel assembly geometry, we performed calculations with simpler geometries, the DEBORA case and the ASU-annular channel case. ASU-annular channel case has already been addressed in [14] and [Mimouni et al., 2009b].Then, a geometry closer to actual fuel assemblies is considered. It consists of a rectangular test section in which a 2 × 2 rod bundle equipped with a simple spacer grid with mixing vanes is inserted. The influence of the turbulence model on target variables linked to CHF limitation will be discussed. Moreover, the sensitivity to the mesh refinement will be particularly examined. The study of this case is a further step towards the modelling of the two-phase boiling flow in real-life grids and rod bundles.     

The ULTRAFLOW spacer—an advanced feature of ATRIUM fuel assemblies for boiling water reactors

Critical power performance of reload fuel assemblies has a significant influence on economy in terms of fuel cycle costs and on operational flexibility of boiling water reactors. Well-known advantages in critical power performance attributed to the spacer design have been a stimulus for the development of a new spacer concept. The development was aimed at maximizing the effectiveness of phase separation in the subchannels of the fuel assemblies while minimizing the pressure drop across the spacers. Air-water tests at virtually atmospheric pressure and room temperature were used for a comparative qualitative study of the typical effects on subchannel and film flow downstream of various types of spacer. The most promising design concept proved to be the ULTRAFLOW^TM (Siemens trademark) spacer, which is an egg-crate-type spacer with swirl vanes. Critical power and pressure drop performance of the ULTRAFLOW spacer have been measured at the Karlstein test facility of Siemens. The results show that the critical power performance of this spacer is on an average 8% higher than that of the ring spacer and 16% higher than that of the egg-crate spacer without swirl vanes while its pressure drop is lower compared with the above types.     

带7道格架的5×5棒束两相性能CFD分析

采用两相计算流体动力学（CFD）方法进行带7道格架的5×5棒束两相性能研究，其中结构搅混格架（MG）和跨间搅混格架（MSMG）交替布置，计算考虑汽泡合并与破裂、热量传递，但不考虑相间的质量传递。为选择合理的两相模型参数，首先以带2道格架（MG、MSMG）的AFA3G燃料组件5×5棒束架为研究对象，对最大气泡直径、汽泡合并破裂系数、非曳力模型及曳力模型、入口气泡直径、入口空泡份额分布等进行了敏感性及不确定性分析。此后采用该两相模型设置，针对带7道格架的AFA3G燃料组件进行了两相性能研究，计算结果显示格架间的各项参数不存在完全一致的周期性，但同种格架上游的空泡份额分布具有一定的相似性，因此用于两相性能评价可计算带2~3道格架的棒束，该研究可用于带格架棒束两相计算的模型设置与几何规模选择，为下一步采用两相CFD计算建立燃料组件热工水力性能评价准则奠定了基础。最后比较了AFA3G燃料组件及改进型燃料组件两种格架的空泡分布特性，并从提高燃料组件临界热流密度（CHF）特性的角度对其进行评价，获得与实验一致的结论，证明了评价方法的正确性。