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。     

环形燃料混合堆芯横向流动特性数值模拟研究

环形燃料混合堆芯横向流动特性对原堆芯的热工安全具有重要影响。本文基于计算流体力学(CFD)方法建立了3×3环形燃料混合堆芯，通过计算混合堆芯的速度场、局部阻力特性与各组件的出入口流量守恒性，对环形燃料与原堆芯燃料之间的横向流动进行了评价。结果表明，当环形燃料与原堆芯燃料轴向各处阻力一致时，原堆芯燃料出入口冷却剂流量相对偏差小于0.8%,环形燃料出入口冷却剂流量相对偏差小于1.8%,混合堆芯各格架段无显著横向流动。     

非均匀硼稀释瞬态三维流场计算

采用CFX10.0模拟了反应堆发生非均匀硼稀释事故时的瞬态三维流场,得到堆芯冷却剂的硼浓度分布和温度分布。比较三种不同堆芯温度工况计算结果,发现随着堆芯温度的增加,运动阻力下降,清水越快到达堆芯,清水与硼水的搅混时间减少,搅混效果减弱,堆芯中心处冷却剂的硼浓度偏低。     

空间气冷反应堆堆芯流动换热数值仿真研究

以美国普罗米修斯计划反应堆为参考,建立了空间气冷反应堆堆芯结构的三维模型,利用蒙特卡罗方法计算得到了堆芯真实功率分布,并使用Star-CCM+软件开展了1/6堆芯的流动换热计算,分析得到了堆芯温度场、速度场和压力场的分布情况,评估了现有设计中仍待优化之处,并提出了相关的优化建议。计算结果表明,该反应堆设计可将冷却剂加热到工作温度,能满足基本的技术指标。但从优化角度考虑,需对堆芯入口段与出口段进行优化设计,通过改变入口管与压力容器间的角度等,可降低不必要的能量损失,提高堆芯出口温度与速度分布均匀性,同时降低冷却剂对诸如气轮机等设备的不利影响。     

空间气冷反应堆堆芯流动换热数值仿真研究

以美国普罗米修斯计划反应堆为参考，建立了空间气冷反应堆堆芯结构的三维模型，利用蒙特卡罗方法计算得到了堆芯真实功率分布，并使用Star-CCM+软件开展了1/6堆芯的流动换热计算，分析得到了堆芯温度场、速度场和压力场的分布情况，评估了现有设计中仍待优化之处，并提出了相关的优化建议。计算结果表明，该反应堆设计可将冷却剂加热到工作温度，能满足基本的技术指标。但从优化角度考虑，需对堆芯入口段与出口段进行优化设计，通过改变入口管与压力容器间的角度等，可降低不必要的能量损失，提高堆芯出口温度与速度分布均匀性，同时降低冷却剂对诸如气轮机等设备的不利影响。     

压力容器下腔室冷却剂流动特性数值模拟研究

压力容器流场特性是反应堆热工水力设计的重要依据之一。论文采用三维数值模拟方法,建立了包括进口及环形下降段、下腔室及堆芯进口段、堆芯段的华龙一号反应堆压力容器下腔室分析模型,并采用多孔介质模拟堆芯段压降及流动,在网格数量级敏感性分析的基础上确定了最终网格模型,对运行工况下压力容器下腔室冷却剂的流动特性进行了研究。结果表明,下腔室出现逆时针漩涡流动,冷却剂在冲刷格架板后在下腔室底部汇集并向上流入堆芯;通过分析格架板的上、下表面压差发现大、小格架板所受水力冲击方向相反,载荷大小相近;对下堆芯板流水孔归一化流量分配进行了分析。通过求解附加标量浓度输运方程以标记并跟踪冷却剂的分布和交混,结果表明冷却剂随着流动发生逆时针横向交混,平均有43.7%的冷却剂份额会偏移至逆时针的相邻堆芯进口位置,表明交混特性较好。     

摇摆条件下小型反应堆堆芯入口流量分配特性数值分析

为研究摇摆条件下小型反应堆强迫循环时堆芯入口处冷却剂的流量分配特性,采用数值计算的方法,使用计算流体力学（CFD）软件STAR-CCM+建立小型反应堆模型,完成模型验证,开展摇摆条件下反应堆堆芯入口流量分配特性研究。结果表明,堆芯入口位置距摇摆轴的距离越大,摇摆幅度越大,堆芯入口冷却剂流量波动越大;长周期摇摆对流量影响较小,但随着摇摆周期减小,冷却剂流量会发生跃变。堆芯入口冷却剂分布不均匀程度随摇摆幅度的增加而增加,但对摇摆周期变化并不敏感。      

等速入口三喷口流动的温度振荡数值模拟

由于来自核反应堆堆芯不同通道冷却剂的温度存在差异,它们在上腔室混合后将产生复杂的温度振荡现象,可能干扰堆芯出口的温度测量,也可能造成周围固体结构的热疲劳破坏。本文基于FLUENT软件,采用大涡模拟湍流模型(LES)对三维平行三喷口流动进行数值模拟,并与实验结果进行了比较。结果表明：随着入口速度的增加,流体混合越来越剧烈,同时温度振荡的最大振幅逐渐减小,而相应的频率则逐渐增加。     

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。     

双环路压水堆非对称入口条件下物理-热工特性研究

双环路压水堆存在反应堆入口流量、温度不对称的非正常运行工况。本文建立了基于CFD方法的反应堆整体三维流场模型,并耦合中子动力学计算程序和RELAP5程序,对这种非对称入口条件下的反应堆物理-热工特性进行了数值模拟。结果表明：反应堆入口流量不对称会加剧堆芯入口流量分配的不均匀性,并进一步导致局部功率变化,对反应堆安全不利;在入口温度不对称的条件下,冷却剂在下腔室的混合非常不充分,并导致堆芯入口温度分布不均匀,引起局部功率变化较大,对反应堆安全不利。     

棒束子通道湍流交混特性的数值模拟研究

为了提高核反应堆系统的经济性和安全性,本文采用CFD方法对棒束子通道间湍流交混效应进行研究。对子通道建模,选取SST k-ω模型进行计算,完成了网格敏感性分析。采用类比浓度计算法与间隙湍流热流法对湍流交混系数进行计算。计算结果表明：雷诺数较小时,单相湍流交混系数随雷诺数的增大而增大;当雷诺数达到一定值时,单相湍流交混系数近似为定值;采用类比浓度计算法与间隙湍流热流法计算所得的湍流交混系数无太大差别。本文拟合得到了适用于单相工况的湍流交混系数计算公式。     

承压热冲击下压水堆压力容器壁面换热特性的数值模拟研究

为了研究压水堆因安注冷水直接注入反应堆压力容器下降环腔而导致的承压热冲击（PTS）热工水力问题，基于1∶10比例模型，应用计算流体力学商用软件FLUENT5．4进行了紊流流动换热的数值模拟分析，同时进行了常压传热实验研究。针对下降环腔折算流速0．5m/s，安注流速10m/s的典型工况，研究了压力容器下降环腔的壁面换热特性。通过分析下降环腔内的流动及混合特性，从流动机理上解释了压力容器内壁上准重接触点附近换热强烈的现象，并指出壁面换热强弱与近壁流体紊流脉动动能密切相关，为热冲击分析提供参考。     

应用CFD方法研究雷诺数对烟囱气体混合均匀性影响北大核心CSCD

为研究各种流态下核设施烟囱内气体混合均匀性情况,应用计算流体力学(CFD)方法,建立了仿真模型,主烟囱内雷诺数范围800~70000。仿真结果表明:雷诺数变化对于主烟道风速分布有重要影响;8倍水力直径以下,随监测截面升高,风速分布将更为均匀,8倍水力直径以上,一定程度内增强湍流,可提高风速分布均匀性,流态处于完全湍流后,继续提高雷诺数对风速的分布均匀性无益;对于示踪气体,各监测截面均达到了较充分的混合,管道内雷诺数低于29000时,其在各截面上的混合均匀性伴随雷诺数升高有细微的降低,雷诺数超过29000后混合均匀性变化不再显著。对比仿真结果与试验结果,风速及示踪气体浓度仿真结果与试验测量值具有较好的一致性。     

Experimental and analytical studies on turbulent heat transfer performance of a fuel rod with spacer ribs for high temperature gas-cooled reactors

Turbulent heat transfer performance of a fuel rod with three-dimensional trapezoidal spacer ribs for high temperature gas-cooled reactors was studied for various Reynolds numbers using an annular channel at the same coolant condition as the reactor operation, maximum outlet temperature of 1000 °C and pressure of 4 MPa, and analytically by a numerical simulation using the k- turbulence model. The turbulent heat transfer coefficients of the fuel rod were 18–80% higher than those of a concentric smooth annulus at a region of Reynolds number exceeding 2000. On the other hand, the predicted average Nusselt number of the fuel rod agreed well with the empirical correlation obtained from the experimental data within a relative error of 10% with Reynolds number of more than 5000. It was verified that the numerical analysis results had sufficient accuracy. Furthermore, the numerical prediction could clarify quantitatively the effects of the heat transfer augmentation by the spacer ribs and the axial velocity increase due to a reduction in the annular channel cross-section.     

10 MW高温堆热气联箱气流混合模拟的相似律

１０ＭＷ高温气冷实验堆芯出口需设置热气联箱,以使氦气得到充分的热混合。使用两流体方程无量纳化分析方法导出相似准则,得到了热气联箱在缩小模型比例的系统上以常压小温差空气代替主压大温差氦气进行热工水力学模拟试验研究时应遵循的模拟准则,即几何准则、流动准则和传热准则。     

环形截面螺旋通道内层流换热热力性能数值模拟

在恒壁温工况下,对旋转720°环形截面螺旋通道内三维层流换热的热力性能进行数值模拟.研究雷诺数为200～1000、无量纲螺距为0.1～0.2、曲率范围为0.1～0.3、在内环加热外环绝热情况下螺旋通道内不同截面上的温度场分布和速度场分布以及雷诺数、曲率和无量纲螺距对轴向不同截面上平均努谢尔特数和平均摩擦系数的影响.研究结果表明:在人口阶段,二次流作用可以忽略,随着转角增大,二次流作用加强,且垂直于轴向截面的最大速度向通道的外侧移动;轴向截面平均努谢尔特数和轴向截面平均摩擦系数随着雷诺数、曲率和螺距的变化呈现不同的规律,并且和曲率相比,螺距对传热和流动性能的影响程度相对较小.     

基于CFD方法的铅铋冷却燃料棒束的热工水力特性分析

铅铋冷却快堆作为第4代反应堆候选之一具有安全性高等特点，研究其在正常工况下的热工水力特性具有重要意义。本文基于商用计算流体力学（CFD）软件STAR-CCM+，使用流固耦合的方法对带有绕丝结构的19棒束铅铋组件进行数值分析，探究了质量流量、功率等边界条件对组件内部流动传热特性的影响。模拟计算结果表明：CFD方法在子通道中心温度和壁面温度预测上与实验结果取得了较好的一致。同时，绕丝结构的存在使得子通道之间存在周期性的横向交混，并使得棒束表面温度呈现震荡。随质量流量的增加，子通道间横向交混增大。功率变化对通道间的横向交混速度的影响较小，冷却剂温度的横向分布无明显差异。     

Numerical Investigation of Gas Flow Distribution and Thermal Mixing in Helically Coiled Tube Bundle

In this study, we carried out the numerical simulation of gas flow across a helically coiled tube bundle, which is fitted in the annular space between a central spine and an outer casing. We focused on the effect of clearances at the inner and outer radial boundaries on the gas flow distribution and thermal mixing in the tube bundle. The conservation equations of mass, momentum and energy were numerically solved by computational fluid dynamics. It was demonstrated from the numerical simulation results that (i) the gas flow distribution in the tube bundle is very sensitive to clearances at the inner and outer radial boundaries, and even a very small variation of clearances would lead to a considerable change in the average velocity profile, which correspondingly leads to a great deviation of the gas flow distribution away from the original one; (ii) the clearance effect on thermal mixing is not as strong as that on gas flow distribution;(iii) the Reynolds number has little effect on the gas flow distribution and thermal mixing, the latter of which is in agreement with the results of Achenbach experiments.     

PIV and CFD Study of Turbulent Flow Behavior in Rod Bundle

At the downstream of the spacer grid in a PWR fuel assembly, local disturbance damps out along the flow direction and the flow returns to stable eventually. The turbulent flow and mixing behavior of the coolant are key factors affecting the economy and safety of a nuclear reactor, and need in-depth investigations. In the present paper, the turbulent flow of water in a 3×3 rod bundle was studied using PIV (particle image velocimetry) and CFD. First-order mean velocity and second-order turbulent statistics were obtained. It is found that the velocity in the central subchannel is higher than that in the gap region, but the streamwise root-mean-square velocity behaves inversely. Large-scale flow pulsation induced by the strong streamwise velocity gradient between adjacent subchannels, is observed in the rod bundle, and the wave length increases with Reynolds numbers. In addition, the measured turbulent mixing coefficient is 10% higher than that predicted by the Castellana correlation for PWRs, but this deviation reduces with the increase of Reynolds numbers.     

棒束内湍流流动特性的PIV与CFD研究

在压水堆燃料组件的定位格架下游，局部扰动沿流动方向逐渐衰减，流场最终趋于稳定。光滑棒束区冷却剂的湍流流动和交混特性是影响反应堆经济性和安全性的重要因素，有必要进行深入研究。本文采用粒子图像测速（PIV）与数值模拟(CFD)相结合的方法，对3×3小规模棒束内水的流动特性进行研究，得到了一阶平均流速以及二阶湍流统计信息。结果表明，中心子通道的速度明显高于棒间隙区，但轴向均方根速度呈现出相反的变化趋势。在相邻子通道横向速度梯度的作用下，棒束内出现了大尺度的流量脉动现象，且脉动波长随雷诺数的增加而增大。此外，实验得到的湍流交混系数较压水堆采用的Castellana公式预测值偏高10%左右，这一偏差随雷诺数的增加有减小的趋势。