带格架燃料组件内复杂流动和传热特性的数值模拟研究.doc

带格架燃料组件内复杂流动和传热特性的数值模拟研究在压水堆中,带定位格架燃料组件内部的湍流行为和传热性能对燃料组件的热工水力性能和堆芯热工安全有着非常重要的影响。由于实验研究的成本高且研究周期长等因素,针对带格架燃料组件的热工水力性能数值模拟研究正受到广泛关注。本文基于大型压水堆开式棒束燃料组件的结构形式,针对带格架的5?5棒束开展复杂流动及传热特性的CFD数值模拟研究。本文综合分析了几种不同湍流模型对复杂结构内的湍流流动计算结果的影响,并确定了适合于当前复杂定位格架结构以及热工边界条件下的湍流模型。为了充分考虑燃料组件中复杂的定位格架结构对流动及传热的影响,针对真实的定位格架几何结构,提出了一种适用于复杂结构的网格构建方法。用于CFD计算的定位格架网格包含弹簧片、刚突及搅混翼片在内,且得到的网格质量较优。通过比较本文的CFD计算结果及实验研究结果,两者很好吻合。同时,本文深入研究了定位格架的搅混翼片对棒束通道内的流动及传热的影响,发现带定位格架燃料组件的标准化努塞尔数(NormalizedNusseltNumber)在沿着流动的方向逐渐减小,在大约z/Dh=18.0后标准化努塞尔数小于1,棒束通道在z/Dh=18.0后传热性能较差,这是由于搅混翼片引起的搅混沿轴向流动不断衰减所至。通过分析由搅混翼片引起的几种不同类型涡流,并研究涡流在格架下游的演化规律,确定了定位格架下游的横向搅混能力变化趋势,定位格架在z/Dh=4.0搅混能力逐渐增大随后沿着流动方向逐渐减小,与涡流的演化规律是一致的。与此同时,本文还开展了不同结构的定位格架绝热汽-水两相流动数值研究,包括有搅混翼片和没有搅混翼片两种定位格架,及A型格架和B型格架。基于两相流动的研究,探讨了格架下游由搅混翼片引起的横向流场对空泡分布的影响。通过比较A型格架和B型格架的CFD计算结果,A型格架冷棒汽相聚集程度高于热棒,导致冷棒发生沸腾临界的可能性增加;A型格架附近搅混能力更强,但离开格架后迅速衰减,对流场扰动较小。为了更深入研究定位格架对棒束通道内的搅混特性,本文从不同的角度研究了子通道内的参数演化特征,发现不同子通道之间的差异比较明显。在汽-液两相流动的棒束通道研究中,不同的研究手段也有很大的差异,当重点考虑二次流研究时可选择子通道的数据为参考对象,当侧重汽相体积分数研究时可以选择燃料棒为参考对象。