紧密栅元棒束通道内的传热流动数值模拟

对紧密栅元棒束中心通道和壁面通道内空气的传热流动行为进行了数值研究;结合实验数据对壁面温度、剪应力、流体温度和速度以及湍动能等参数进行了分析.结果表明:随着节径比(PID)的减小,紧密栅元棒束通道内参数的不均匀性会增加,在通道的间隙区会出现壁面温度的峰值.在紧密栅元组件的设计中应该考虑这种间隙区的高温点分布;通道壁面的...     

窄矩形通道弹状流中液弹特性研究

气-液两相弹状流广泛存在于核动力工程中,弹状流中液弹特性对弹状流模型的建立具有重要意义。利用高速摄像系统,对竖直窄矩形通道内弹状流中液弹特性进行可视化研究。研究结果表明,窄矩形通道中稳定液弹可分为3个区域:先导气弹尾流区、主流速度分布恢复区和稳定速度分布区。先导气弹尾流区形成机理为先导气弹尾部液膜壁面射流过程。气弹在液弹中所处区域对其特性影响显著;主流为层流及过渡流态时,尾随气弹特性受先导气弹影响显著。在充分发展湍流工况下,液弹中近壁面处轴向速度趋于稳定所需距离等于最小稳定液弹长度Lmin;Lmin随气弹长度增加而增大,随两相雷诺数增加而减小,其变化范围为9 Dh~17Dh。     

窄间隙矩形通道单相水纵向涡可视化实验研究

在窄间隙矩形通道内设置4对周期性分布的矩形块纵向涡发生器(LVG),应用相位多普勒粒子图像分析仪技术(PDPA)对该通道内单相流动的速度场进行可视化测量.通道内单相层流和湍流的主流速度分布表明:当流动经过LVG时,将会产生以二次流动为特征的纵向涡(LV);LV使得流动边界层的发展受到抑制或破坏作用,强化通道内部流动的横...     

矩形窄缝通道内湍流充分发展区流动边界层探析

从宏观特性比较分析的角度出发,通过计算流体动力学(CFD)微观结果来探析矩形窄缝通道内湍流充分发展区边界层分布的特性.研究结果表明,从宏观角度看,一些适用于常规通道的经典公式仍然通用于矩形窄缝通道;现有的实验结果基本支持湍流充分发展区矩形窄缝通道内的流动和传热规律符合常规通道内特点的结论.对多种湍流模型模拟的结果与经典...     

不同流道间隙下矩形通道临界热流密度的实验研究

在氟利昂工质条件下,进行1~3 mm间隙的矩形通道临界热流密度(CHF)的实验研究。研究发现,在1~3 mm间隙的矩形通道内,随着压力的升高,CHF稍有下降;质量流速对CHF的影响呈非单调关系,在低含汽率区随着质量流速的增大,CHF增大;在高含汽率区,随着质量流速的增大,CHF减小;临界含汽量的增加导致CHF明显降低。综合分析表明,在本实验工况参数范围内,流道间隙范围为1~3 mm的矩形通道在相同的工况参数条件下,其CHF基本不受流道间隙的影响。     

高宽比对矩形窄通道内单相水流动特性的影响机理

通过理论和实验研究了矩形窄通道内单相水的流动特性。结果表明：矩形通道截面高宽比对其流动阻力有重要影响,层流区和紊流光滑管区摩擦阻力均随高宽比的减小而增大。可视化结果表明：矩形窄通道临界Re为2 500~2 600,高宽比对窄通道内流态转捩无明显影响。层流区高宽比通过改变截面湿周及速度分布两方面影响摩阻特性;紊流区高宽比通过改变黏性底层紊流时均速度分布及截面湿周两方面影响摩阻特性。     

非能动冷却系统上升通道中湍流自然对流的直接数值模拟

湍流直接数值模拟形成的数据库可以为开发功能更完善的湍流模型提供数据支撑。本文采用直接数值模拟方法研究了在不同普朗特数(Pr)下竖直通道中湍流自然对流的平均速度、平均温度、速度和温度脉动强度、雷诺应力、湍流热通量和湍流结构的分布特性。研究结果表明:(1)湍流自然对流的平均速度和平均温度分布关于通道中心线反对称,最大速度和温度梯度出现在壁面附近区域,Pr数增加,最大速度值减小,而壁面处温度梯度增加;(2)湍流自然对流的速度脉动强度、温度脉动强度、雷诺应力和湍流热通量随Pr数增加而降低,热通量在高温壁面侧会出现负值;(3)湍流自然对流的脉动速度和温度分布没有特别规则的结构,但主流脉动速度与壁面呈一定夹角。     

环形窄缝通道单相流动特性研究

对环形窄缝通道内单相流动特性进行了分析，提出了理论模型预测环形窄缝通道内单相流动阻力特性。根据该模型，对窄缝宽度分别为1.0、1.5、2.0mm环形通道内单相湍流流动摩擦阻力系数进行了理论计算，并与实验结果进行了比较。理论预测值与实验结果符合较好，且窄缝间隙大小对环形窄缝通道内流动特性有着重要影响，随着间隙的减小，摩擦阻力系数相应减小。间隙对流动阻力系数的影响还依赖于Re大小，其影响随Re的减小而降低。     

小尺度环形通道流体阻力特性实验研究

为确定小尺度环形流道间隙尺寸对流体阻力特性的影响,以水为工质,分别在滞流区和湍流区对间隙为0.540～2.685 mm的水平环形通道单相流体摩擦阻力特性进行实验研究。结果表明,小尺度环形通道的流体阻力特性与理论分析有明显的差异。摩擦系数随环形流道间隙的减小而减小,且流态转捩点较常规尺寸提前。当环形通道间隙大于2.5 mm时流体的流动特性符合常规尺寸的特性。依据实验结果,给出了窄缝环形通道的流体阻力预测式。     

水平窄矩形通道内空气-水两相流动中气弹运动特性研究

气弹速度和液膜厚度作为弹状流工况下的关键参数，在传热分析和力学分析中具有重要意义。本文以空气-水为介质，采用高速摄影机和印刷电路板式（PCB）液膜厚度传感器，对高1.9 mm×宽68 mm的水平窄矩形通道内气弹运动特性进行研究。液相雷诺数（Re_l）<2500，矩形通道内为层流区；Re_l≥2500，矩形通道内为湍流区，基于气-液两相混合速度分别拟合了气弹运动速度的预测关系式，结果表明，层流区分布系数（C₀）可采用Ishii 关系式计算且漂移速度为0；而湍流区C₀为1.0。当气弹雷诺数（Re_b）<3100时，气弹底部液膜厚度（δ_b）随毛细管数的增大而增大；而在Re_b≥3100时，δ_b表现出波动性。现有的δ_b预测关系式不适用于窄矩形通道，在考虑通道高宽比的影响下提出了一个新的δ_b预测关系式，对文献中210个数据进行了验证，预测误差均在±20%内。      

倾斜、摇摆对矩形通道内泡状流局部界面参数分布的影响

借助高速摄像机,对倾斜和摇摆条件下矩形通道(43 mm×3.25 mm×2000 mm)内泡状流局部界面参数的横向分布特性进行实验研究,包括局部气泡比例、空泡份额及界面面积浓度(IAC)。实验结果表明,竖直、倾斜及摇摆条件下,局部气泡比例、空泡份额及IAC三者的横向分布形状相类似。竖直静止及摇摆至竖直位置时,通道内中间较大范围内各局部参数变化缓慢,在xi/(w/2)=±0.5(xi为以通道宽边中心轴线为原点到窄边内壁面的距离,w为宽边尺寸)附近出现峰值;随着倾斜和摇摆角度的增大,下壁面附近峰值被削弱,上壁面附近峰值被加强。实验摇摆参数范围内,摇摆时局部参数的横向分布与实验段倾斜至相同角度时的分布十分相近;主要原因为在横向上摇摆引起附加惯性浮力远小于气泡受到的浮力。     

燃料棒束对称近壁子通道内湍流结构的模拟实验研究

描述了棒束子通道内流速分布,壁面剪应力分布和湍流雷诺应力张量分布的实验研究。由四根棒组成的棒束平行对称地布置在一个矩形流道内。试验棒的中心距与棒直径之比为:P/D=1.148,而壁距与棒直径之比分别为W_1/D=1.045和W_2/D=1.074。两种不同几何条件下,实验中雷诺数分别为6.11×10~4和7.0×10~4。实验结果表明,棒束子通道内的湍流结构与圆管内的湍流结构有很大差别。特别是在棒和通道壁之间的窄缝区存在着相当强的轴向和周向湍流强度,因而那里也有相当强的湍流动能,这显然是由于通过棒-壁窄缝处强烈的湍流脉动流所造成的。和过去进行的非对称布置的子通道实验(子通道内有相同几何参数P/D及W/D,但与相邻子通道几何非对称地布置于同一矩形通道内)相比,发现对称子通道情况下子通道之间通过棒-棒窄缝处的湍流动量迁移例很小,可以忽略不计。壁面剪应力分布的实验值和用VELASCO程序计算结果相对比,发现两者之间有明显的差异,尤其是在棒—壁窄缝区,差异更大。建议有必要发展比现有程序更为完善的分析计算程序,以便提高对棒束子通道湍流流动的计算精度。     

两种截面窄通道内PM1颗粒沉积数值模拟对比研究

基于FLUENT软件,对尺寸为20 mm×20 mm×1000 mm(通道1)和10 mm×30 mm×1000 mm(通道2)的竖直矩形窄通道内,不同温度场中动力学直径小于或等于1μm的颗粒物(PM1)在湍流工况下的沉积规律进行数值模拟研究。气相采用标准k-模型,PM1颗粒采用离散相模型(DPM)。结果表明,矩形通道内湍流扩散、热泳效应和二次流的共同作用使PM1颗粒在近壁面区域富集;湍流扩散使主流区的PM1颗粒在靠近壁面处富集;二次流是PM1在拐角附近产生富集的主要原因;而在温度场内近壁面区域,热泳力是PM1在冷壁上发生沉积的最主要因素;随主流温度的增高,PM1颗粒布朗运动增强,使PM1的无规则运动和扩散加强,不利于PM1形成稳定的富集区,减弱了PM1在冷壁面上的沉积。     

燃料棒束对称近壁子通道内湍流结构的模拟实验研究

描述了棒束子通道内流速分布,壁面剪应力分布和湍流雷诺应力张量分布的实验研究。由四根棒组成的棒束平行对称地布置在一个矩形流道内。试验棒的中心距与棒直径之比为:P/D=1.148,而壁距与棒直径之比分别为W_1/D=1.045和W_2/D=1.074。两种不同几何条件下,实验中雷诺数分别为6.11×10~4和7.07×10~4。实验结果表明,棒束子通道内的湍流结构与圆管内的湍流结构有很大差别。特别是在棒和通道壁之间的窄缝区存在着相当强的轴向和周向湍流强度,因而那里也有相当强的湍流动能,这显然是由于通过棒-壁窄缝处强烈的湍流脉动流所造成的。和过去进行的非对称布置的子通道实验(子通道具有相同几何参数P/D及W/D,但与相邻子通道几何非对称地布置于同一矩形通道内)相比,发现对称子通道情况下子通道之间通过棒-棒窄缝处的湍流动量迁移则很小,可以忽略不计。壁面剪应力分布的实验值和用VELASCO程序计算结果相对比,发现两者之间有明显的差异,尤其是在棒-壁窄缝区,差异更大。建议有必要发展比现有程序更为完善的分析计算程序,以便提高对棒束子通道湍流流动的计算精度。     

纵向涡对窄间隙矩形通道内流动边界层作用特性研究

利用纵向涡发生器(LVG)产生纵向涡(LV)强化传热的机理主要是基于对边界层的削薄和破坏。由于LV作用距离远,结构简单,安装高度低,对于具有窄间隙通道的换热结构,LV强化传热有着较强的应用价值。本文应用相位多普勒粒径分析仪对LV作用下的窄间隙矩形通道内速度场分布进行了测量。实验结果表明,LV可以有效地削薄和破坏流动边界层厚度;LV对边界层的削薄和破坏可以对传热起到强化的作用;CFD数值模拟结果表明,剪切应力模型(SST)以对LV作用下窄间隙矩形通道内的速度场进行有效地模拟。     

矩形通道长带条拟序结构的可视化实验研究

采用氢气泡流动显示技术,以水为工质,对较小尺度竖直矩形通道湍流边界层内的长带条拟序结构进行了可视化实验研究。研究通道边界层内长带条的统计特性,并与光滑平板边界层内长带条的现象进行了对比。从长带条形成机理方面对其间距的特点进行了解释,分析y⁺变化对通道内长带条分布的影响,并对通道内长带条的频率特性进行探讨,得到了通道内长带条频率的关系式。     

稠密栅元不同子通道内湍流流动的RANS和URANS模拟

本工作采用RANS和非稳态雷诺平均纳维斯托克斯模拟（URANS）方法对稠密栅元内典型子通道——中心通道和壁面通道内的湍流流动进行CFD模拟。研究分析了稠密栅元子通道内的不同周向角度的主流速度、壁面剪应力、湍动能等参数。将模拟计算结果和实验测量结果进行对比,结果表明：RANS模拟在采用各向异性的湍流模型的情况下能较好地模拟P/D较大的稠密栅元通道,但对于P/D较小（P/D<1.1）的稠密栅元通道,CFD结果和实验数据存在较大差距。相比之下,URANS方法可模拟紧密栅元子通道间隙区的大尺度、准周期的流动振动,从而和实验数据拟合良好。推荐采用雷诺应力湍流模型(SSG,ORS)进行RANS模拟,而采用SAS湍流模型进行URANS模拟。     

超临界水冷堆类三角形子通道流动传热特性研究

基于类三角形子通道超临界水的传热试验,建立了超临界水冷堆三角形子通道物理模型。采用雷诺应力湍流模型SSG,在压力为23～28 MPa、质量流速为700～1300 kg/(m²•s)、热流密度为200～1000 kW/m²参数范围内,对棒径8 mm、栅距比为1.4的子通道内超临界水流动与传热特性进行了数值研究。分析了系统参数对流动和传热特性的影响,对比了不同焓区的二次流特性。结果表明：采用SSG模型对超临界水冷堆三角形子通道内流动传热的CFD模拟结果与试验数据较吻合。质量流速越高,传热能力越强;子通道换热系数峰值随压力的提高而减小;热负荷越高,内壁温度越高;在大比热容区换热系数峰值随热流密度的增大而明显减小,传热存在恶化趋势。超临界区子通道内在与主流垂直方向形成了明显的二次流,存在6个对称的漩涡,二次流速最大值出现在子通道窄缝区间隙。通道内不同焓区二次流结构相似,但二次流强度随焓的提高而增大。     

竖直与倾斜条件下3×3棒束通道内流场数值模拟研究

为了研究竖直及倾斜条件对堆芯热工水力特性,采用RANS模拟对棒束通道进行了数值模拟,分析了静止及倾斜条件下棒束通道内流场特征及温度分布。模拟结果表明:在入口流速相同的情况下,倾斜会使棒束通道间隙处主流速度略微减小,且倾角越大,间隙处主流流速越大。倾斜条件使得棒束通道内温度场分布发生改变,随着倾斜角度的不断增大,主流最大温度不断增加,导致棒的壁面温度增大,不利于反应堆安全。     

湍流边界层内暗斑拟序结构的可视化实验研究

采用氢气泡流动显示技术,以水为工质,对竖直矩形通道湍流边界层内的暗斑拟序结构进行了可视化实验研究,流动雷诺数Re =3009。根据暗斑形成过程中其上游边界处是否产生涡旋,将暗斑划分为两种类型：三涡旋暗斑和双涡旋暗斑。对暗斑的形成过程及其速度分布进行了初步研究。通过与平板边界层内暗斑拟序结构对比发现：矩形通道内暗斑的发展时间较短,且其内部流体的速度增量较小。