基于CFD的超臨界水棒束內(nèi)流動(dòng)傳熱研究.pdf

1、準(zhǔn)確可靠地預(yù)測(cè)棒束內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱行為對(duì)超臨界水冷堆堆芯熱工水力研究具有重要意義。
　　為了評(píng)價(jià)湍流模型在棒束內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱計(jì)算中的性能,本文以開(kāi)源CFD軟件包OpenFOAM為數(shù)值分析工具,基于上海交通大學(xué)超臨界水棒束試驗(yàn)數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)了k-ω SST模型和realizable k-ε模型在預(yù)測(cè)布置有簡(jiǎn)單定位格架的四棒束內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱現(xiàn)象時(shí)的性能。同時(shí),還將OpenFOAM模擬所得的加熱棒內(nèi)壁溫軸向分布同實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及SSG

2、模型的CFX計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)三種湍流模型均過(guò)低地估算了超臨界壓力下水在棒束流道內(nèi)的換熱能力,由于k-ω模型在壁面附近較 k-ε模型有優(yōu)勢(shì),而 realizable k-ε模型和SSG模型均為ε類(lèi)模型,所以在遠(yuǎn)離定位格架的區(qū)域 k-ω SST模型預(yù)測(cè)結(jié)果同實(shí)驗(yàn)值最為接近。但由于realizable k-ε模型和k-ωSST模型均采用了湍流粘度修正,過(guò)度地抑制了定位格架附近的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),因而得到定位格架附近與實(shí)驗(yàn)不符的溫度變化趨

3、勢(shì)。綜合評(píng)價(jià)本文所考察的湍流模型,k-ω SST模型的模擬結(jié)果較優(yōu),然而為了更精確地模擬超臨界壓力下棒束內(nèi)的流動(dòng)傳熱現(xiàn)象,湍流模型仍然有待改善。
　　在此研究基礎(chǔ)上,本文采用k-ω SST模型對(duì)評(píng)價(jià)了歐盟超臨界水堆內(nèi)燃料測(cè)試實(shí)驗(yàn)(SCWR-FQT)加熱段的傳熱及水力學(xué)特性。該實(shí)驗(yàn)段為具有繞絲定位結(jié)構(gòu)的四棒束,超臨界水在棒束內(nèi)沿上升方向流動(dòng)?；谟?jì)算結(jié)果,本文分析了燃料棒外壁溫和壁面剪切應(yīng)力分布,以及繞絲結(jié)構(gòu)對(duì)超臨界壓力下棒束內(nèi)流體

4、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響,從而為超臨界水冷堆堆芯燃料組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:繞絲對(duì)棒束內(nèi)超臨界水的流動(dòng)起導(dǎo)向作用,流線沿繞絲旋轉(zhuǎn)方向延伸,截面流體速度、湍流動(dòng)能、壓力以及溫度分布均隨繞絲繞程呈現(xiàn)周期性變化;在燃料棒加熱段熱流密度較高區(qū)域,流體溫度亦接近擬臨界溫度,較容易發(fā)生傳熱惡化,而且繞絲與燃料棒接觸面附近容易發(fā)生流動(dòng)滯止現(xiàn)象,引發(fā)傳熱弱化,因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)對(duì)這些現(xiàn)象及其產(chǎn)生的影響加以考慮,保障反應(yīng)堆的安全。
　　為

5、了進(jìn)一步研究棒束排布對(duì)傳熱的影響,本文還分析了不同節(jié)徑比對(duì)傳熱特性的影響;采用k-ω SST模型,分別對(duì) P/D為1.18和P/D為1.3的四棒束內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了節(jié)徑比對(duì)流體溫度、速度、湍流動(dòng)能分布以及對(duì)加熱棒內(nèi)壁溫分布的影響。結(jié)果表明,在P/D為1.18的棒束內(nèi),定位格架對(duì)其下游超臨界水流動(dòng)傳熱的影響更為顯著,且沿流動(dòng)方向流體溫度、速度和湍流動(dòng)能均高于P/D為1.3的棒束;另外,由于P/D為1.18的棒束子