流场和温度场的瞬态数值计算.docx

流场和温度场的瞬态数值计算《核动力工程杂志》2014年第三期1数值计算1.1堵塞工况的模拟方法一维系统分析程序均采用等效模拟的手段计算板状燃料组件堵流事故即先在流道入口处加入阀门控制体然后通过改变阀门开度来模拟冷却剂中异物堵塞流道的事故工况。但是将堵流简单等效成为流量减小显然缺乏说服力过度简化了这一复杂问题。堵流事故大多是由固体异物随冷却剂循环流入堆芯而引发的所以在考虑ANSYSFLUENT软件自身特性的同时本文采用在堵塞通道中加入一个薄面的方法来进行直接模拟即在正常工况的稳态计算时将薄面的边界条件定义为内部面而在开始堵流事故瞬态计算前再将其属性改为固壁以模拟异物堵塞在流道入口的效果。相比于系统分析程序的做法本文模拟方式的优点：①不同于加入阀门控制体的间接模拟方式这是一种直接模拟；②在建模、网格剖分和计算中操作简单、容易实现；③对不同堵塞程度（20%、40%堵塞等）和不同堵塞位置（如入口中间堵塞等）的模拟均可通过修改薄面面积和薄面所处位置来实现具有很大灵活性。1.2湍流模型模拟计算采用ANSYSFLUENT软件中应用广泛的Realizablek-ε两方程模型。其中有关湍动能k和湍动能耗散率ε的输运方程为。1.3边界条件假设冷却剂的总流量和堆芯总功率在堵流事故发生前后均保持不变并且燃料板释热功率为沿冷却剂流动方向的截断余弦其具体形式为。2数值计算结果分析2.1正常工况稳态计算稳态计算所得Y+值范围是：16.26<Y+<176.52其中Y+<30的网格都分布在燃料板下端部。这是因为流道从窄矩形到下腔室的突扩变化使得冷却剂在燃料板端部处具有速度损失因此在采用全局统一的网格剖分标准后此处计算所得的Y+值较小。但这部分区域所占比重很少而且通过燃料板端部传导出的热量又很小因此其对于整个计算域的影响可以忽略。在上腔室部分和流道入口处Y+值则较大其原因与此正相反。当贴壁处应用壁面函数计算时最为理想的方式是根据壁面每个位置冷却剂具体流动状态来进行独立的网格剖分如此便可保证所有贴壁网格的Y+值都在30左右计算所得的流固耦合换热量也将是最准确的。与此同时也加大了网格剖分难度并且在划分结构体网格时有可能导致其他区域网格质量下降故需要在计算精度和速度之间进行必要的权衡。本文计算所得的Y+值满足ANSYSFLUENT12.1软件的要求（表2）由此可认为对冷却剂和燃料板包壳流固耦合计算是合理的在这个前提下便可以开始堵塞事故瞬态计算。2.2堵流事故瞬态计算当堵流事故发生后各流道冷却剂流量迅速发生重新分配。堵塞发生流道（Channel-1）因入口面积减小导致流动阻力增加所以其内部冷却剂流量大幅度减少、流速降低。相应的由于冷却剂总流量不变其他2个流道（Channel-2和Channel-3）内的冷却剂流量增大、流速增加并且Channel-2在受到临近流道堵塞的影响其内部冷却剂流量和流速的增幅要稍小于Channel-3。冷却剂流量再分配将导致燃料板包壳外表面热流量的重新分配。正常工况下热量是从燃料板两侧包壳外表面向冷却剂中均匀传递（各占约25%）燃料板端部传出的热流量则极少(约占总热流量的0.08%)。堵流事故发生后因Channel-1内冷却剂流量降低使其与该侧燃料板包壳外表面对流换热强度减弱故通过这一侧面传递出的热流量开始减小。相应的由于燃料板热功率不变从其另一侧面传出的热流量大幅增加。而与堵塞流道不相邻的燃料板两侧包壳外表面热流量变化不大可见堵流事故对热流量重新分配的影响主要集中在紧邻堵塞流道的燃料板上。冷却剂流量和燃料板热流量再分配使得整个计算域流场和温度场发生了显著变化（图1和图2）。堵流事故发生后Channel-1出口冷却剂平均温度逐渐升高。受此影响Channel-2出口冷却剂平均温度也有小幅度的升高而距离堵塞流道较远的Channel-3由于内部冷却剂流量的增加换热能力提高所以其出口冷却剂平均温度降低并且在95%和100%2种堵塞工况下所有通道内的冷却剂均没有发生沸腾。计算域温度场的另一个显著变化是燃料板最高温度点发生偏移。如图2所示正常工况计算域内最高温度点位于燃料板几何中心处但在堵流事故发生后燃料板两侧包壳的不对称冷却导致其内部最高温度点的位置向堵塞流道一侧偏移但是这种不对称的温度分布仅仅存在于紧邻堵塞流道的1号燃料板而2号燃料板的温度分布依然是中心对称的。类似于系统分析程序的计算结果[2]图1和图2所反映的只是堵流事故前后计算域内温度场宏观变化情况。将其与正常工况、95%部分堵流事故工况和全部堵流事故工况对比后可知正常工况下的温度场是以燃料板为中心对称分布的并且因热功率沿Z轴方向的余弦分布冷却剂温度是逐渐升高的；而在堵流事故工况下堵塞通道一