超临界反应堆堆芯对流换热研究.docx

超临界反应堆堆芯对流换热研究《核动力工程杂志》2014年第三期1计算模型带有定位格架的SCWR燃料组件结构示意图见图1。两类定位格架的流动强化特征分别为交错叶片和流阻片其简单说明见表1。燃料组件成三角形布置定位格架距离入口150mm以消除入口效应的影响。流体流动方向为垂直向上在本文中与坐标轴Z轴正方向一致。考虑到燃料组件的中心对称结构采用图2a所示的阴影部分即子通道的2/3为计算区域。该区域有2个典型位置即子通道的中心区和窄缝区。本文中定义逆时针方向为周向角增大的方向并分别用30°（-30°）及0o周向角代表中心区和窄缝区如图2b所示。燃料组件的结构参数及相关物理条件由表2给出。采用非结构化多面体网格系统暂不考虑燃料组件包壳的导热问题故计算区域为单纯的流体区域。子通道入口条件为速度入口入口雷诺数Re分为100000、50000入口温度400℃以匹配燃料组件末端的高温工况。子通道出口条件为压力出口出口压力为25MPa。壁面采用均匀热流密度条件热流密度为800kW/m2。由于子通道内压力损失很小压力的变化对超临界水的热物理性质影响极小可认为此条件下超临界水的热物理性质仅是温度的函数。本文利用STARCCM具有的函数域（fieldfunction）功能自定义了超临界水在25MPa时的热物理性质所有数据均来源于IAPWS-IF97。采用标准k-ε两层模型配合两层混合y+壁面处理方式。两层混合y+壁面处理方式对粗糙的近壁面网格采用高y+壁面函数处理壁面；而对于较为细分的近壁面网格该函数采用低y+壁面函数处理壁面。2计算结果与讨论通过分析计算发现与无定位格架子通道相比定位格架下游的包壳周向温度差异明显增大最大温差甚至超过40K。对于无定位格架子通道以及带有阻流片型定位格架的子通道最高包壳温度出现在周向角为0°即子通道窄缝区。沿着周向角增大的方向（正向或负向）包壳温度逐渐降低；而对于交错叶片型定位格架其下游包壳温度分布不再对称。较高的包壳温度出现在0°~-30°区域内最高包壳温度则出现在周向角约为-13°的位置。本文的主要目的是从传热的角度探讨采用定位格架来有效降低燃料组件末端包壳温度的可行性因此采用最高壁温或者最小换热系数对子通道内的热工水利特性进行分析更有利于确保反应堆的安全性。图3给出了子通道内换热最差位置的包壳温度及换热系数沿子通道长度的分布趋势。对于阻流片型定位格架取窄缝区位置；而对于交错叶片型定位格架则取周向角为-13o位置。图3的横坐标为相对于定位格架下游末端的无量纲距离其值等于相对于定位格架下游末端的距离（Zr）与子通道水力直径（Dh）的比值。图3中同时给出了无定位格架子通道窄缝区的包壳温度和换热系数（即HFDVs）温度和传热系数的水动力学充分发展值）分布以此作为基准来判断局部换热是否被强化或者弱化。从图3可以看出在两类定位格架本体内部（-7.9≤Zr/Dh≤0）包壳温度和传热系数的变化趋势相同说明流动强化特征对其上游的影响极小。由于定位格架对子通道的阻塞流动面积减小而导致流体流速增加格架本体内的局部换热得到有效强化传热系数提高约40%。此现象表明提高流速是一种强化子通道内局部换热的有效方式。流体流经格架本体上游末端时由于格架本体的阻塞和扰动湍流强度大幅增加而导致包壳温度迅速降低。随着流动在格架本体内进一步发展包壳温度开始相对缓慢地上升直至格架本体下游末端。此现象是由进一步加剧的流动阻塞效应造成的。子通道窄缝区的宽度为1mm而在格架本体内部窄缝区的宽度进一步减小至0.35mm。由于窄缝区流动阻力较大部分流体被迫流向较宽的子通道中心区。窄缝区由于冷却工质的缺失而导致包壳温度缓慢上升。在两类定位格架下游均存在一个明显的换热强化区。与HFDVs相比包壳温度明显降低而局部换热系数则提高约20%。在此换热强化区包壳温度和换热系数的分布趋势并不相同。对于阻流片型定位格架此换热强化区的范围约为0<Zr/Dh≤40。阻流片位于子通道中心对中心区流体产生了强烈的堵塞和导流中和了此前由格架本体的存在而加剧的流动阻塞效应中心区的部分流体被迫流向窄缝区此区域的换热得到强化直至子通道内的流动充分发展。交错叶片型定位格架下游的换热强化区覆盖范围远小于阻流片型定位格架约为0<Zr/Dh≤15其换热强化机理也与阻流片型不同。交错型叶片在其下游产生了强烈的漩涡流（图4）。从图4中可以看出在子通道窄缝区和中心区分别产生了一个明显的漩涡状二次流流场。尽管窄缝区二次流速度小于中心区此二次流仍然能够有效促进相邻子通道间的热量和质量交换强化此区域的局部换热效果。这也解释了为什么在交错叶片型定位格架下游窄缝区的包壳温度要远低于HFDVs。交错叶片型定位格架下游的传热强化区并不是漩涡流所带来的唯一影响。