棒束通道單相及兩相流動(dòng)與傳熱數(shù)值研究.pdf

1、棒束通道是一種廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆堆芯和其他工業(yè)設(shè)備中的狹長(zhǎng)型非圓形通道，其熱工水力特性與傳統(tǒng)圓管和平板有很大不同。棒束通道結(jié)構(gòu)緊湊，有效傳熱面積大，是一種高效經(jīng)濟(jì)的熱工水力裝置。壓水堆燃料棒束規(guī)模較大，同時(shí)往往配備起固定和交混作用的格架和翼片，對(duì)流動(dòng)與傳熱影響均較大。早期研究主要基于簡(jiǎn)化模型實(shí)驗(yàn)和一維系統(tǒng)程序，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值求解技術(shù)的大力發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)由于其眾所周知的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多地應(yīng)用于堆芯棒束通道內(nèi)單相及兩相流動(dòng)

2、與相變換熱的精細(xì)化研究和設(shè)計(jì)。深入研究棒束通道內(nèi)單相及兩相流動(dòng)與相變換熱的數(shù)值計(jì)算方法和各數(shù)值模型應(yīng)用特性，對(duì)今后正確和高效地將CFD工具應(yīng)用到實(shí)際反應(yīng)堆堆芯的熱工水力研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有重要意義。
　　壓水堆堆芯棒束通道正常工況下為單相流，事故工況或?yàn)榱颂岣叨研据敵龉β蕜t可能出現(xiàn)汽液兩相流。本文分別以裸棒束通道和交混翼格架棒束通道為研究對(duì)象，主要通過(guò)數(shù)值計(jì)算、理論分析及數(shù)學(xué)物理建模等方法對(duì)棒束通道內(nèi)單相及兩相流動(dòng)與相變換熱的

3、數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了較全面而深入的研究，主要工作及結(jié)論如下:
　　首先，單相流動(dòng)與傳熱方面，鑒于過(guò)去十多年來(lái)不同學(xué)者從不同角度對(duì)各數(shù)值計(jì)算方法（湍流模型，近壁面處理方法，近壁面網(wǎng)格類型）在棒束通道中的應(yīng)用特性得出了不同甚至完全相反的結(jié)論，本文從流動(dòng)、傳熱及阻力特性等多方面綜合評(píng)估了上述數(shù)值處理方法對(duì)裸棒束通道及交混翼棒束通道內(nèi)單相流動(dòng)與傳熱數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，明確了上述各數(shù)值處理方法從不同流動(dòng)和傳熱參數(shù)的角度來(lái)評(píng)估時(shí)表現(xiàn)出不同應(yīng)用特

4、性的原因。為簡(jiǎn)化交混翼通道數(shù)值研究過(guò)程，首先驗(yàn)證了周期性邊界條件應(yīng)用于兩通道模型中的有效性，然后基于已驗(yàn)證的兩通道模型研究上述數(shù)值方法在交混翼通道中的應(yīng)用特性。研究發(fā)現(xiàn)，各數(shù)值處理方法在裸棒束通道和交混翼格架通道中表現(xiàn)出不同的應(yīng)用特性。根據(jù)各湍流模型、近壁面處理方法及近壁面網(wǎng)格類型本身的特點(diǎn)及其在棒束通道中的應(yīng)用特性，給出了分別針對(duì)棒束通道工程應(yīng)用和理論研究的最佳數(shù)值求解方案，在保證數(shù)值計(jì)算精度的同時(shí)獲得最高計(jì)算效率。
　　其次，

5、兩相流動(dòng)與相變換熱方面，首先分別驗(yàn)證了基于歐拉兩流體六方程模型和壁面熱流量分區(qū)模型的汽液兩相流數(shù)值計(jì)算方法在圓管、三角形排列及方形排列棒束通道中的有效性?；谝羊?yàn)證了汽液兩相流數(shù)值模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比研究，明確了壁面沸騰模型中的三個(gè)關(guān)鍵子模型（氣泡脫離壁面直徑，壁面成核面密度，氣泡脫離頻率）及兩個(gè)重要相間非曳力模型（升力，湍流耗散力）對(duì)棒束通道汽液兩相流數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)今后棒束通道兩相流數(shù)值計(jì)算在模型及參數(shù)的選擇上

6、提供較全面的參考。作為汽液兩相流數(shù)值應(yīng)用實(shí)例，本文研究了交混翼片及其偏折角在兩相流工況下的熱工水力性能，明確了交混翼片及氣泡份額對(duì)交混翼通道內(nèi)阻力、流動(dòng)及傳熱特性的影響，并給出了交混翼片的最佳偏折角。
　　最后，本文引進(jìn)或提出了三種方法來(lái)解決交混翼格架棒束通道中的巨大非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)導(dǎo)致難以對(duì)全尺寸燃料組件或堆芯進(jìn)行數(shù)值求解的難題。這三種方法分別是分段求解技術(shù)(DDST)、多面體網(wǎng)格應(yīng)用及強(qiáng)迫旋流動(dòng)量源法(FSMS)。DDST有效解

7、決了真實(shí)燃料組件由于軸向存在多個(gè)交混翼格架導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大的難題，通過(guò)分段求解，降低單次計(jì)算量，一方面可以實(shí)現(xiàn)全軸向高度上的數(shù)值求解，另一方面由于軸向計(jì)算域的減小可以適當(dāng)擴(kuò)大棒束規(guī)模而不會(huì)增大計(jì)算量。本文通過(guò)數(shù)值研究明確了DDST成功實(shí)施的關(guān)鍵。多面體網(wǎng)格分析結(jié)果證明，其相比于四面體網(wǎng)格，在保證同樣計(jì)算精度的前提下，可使用更少的網(wǎng)格數(shù)量獲得更高的計(jì)算效率和收斂性，非常適合于交混翼格架通道的數(shù)值計(jì)算。本文針對(duì)壓水堆交混翼棒束通道提出了FSM