發(fā)布時(shí)間：2020-04-23 12:56

【摘要】：超臨界水冷堆作為第四代新型反應(yīng)堆之一具有廣闊的應(yīng)用前景,研究超臨界水冷堆堆芯熱工水力特性是一件非常有意義的工作。目前針對(duì)棒束通道內(nèi)超臨界水的試驗(yàn)研究由于受技術(shù)和成本限制還很少,而且得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足超臨界水冷堆的研發(fā)和設(shè)計(jì)的需求。本文在類(lèi)三角形子通道內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)棒束通道內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行全面深入的研究。為研究三角形棒束子通道內(nèi)流動(dòng)傳熱特性,以燃料棒直徑為8 mm,柵距比P/D為1.4,壁面厚度為2.5 mm的類(lèi)三角形通道為研究對(duì)象建立流固耦合數(shù)值模型,采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX 14.0,對(duì)通道內(nèi)流體溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、壁溫及傳熱系數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并且分析湍流模型、系統(tǒng)參數(shù)和定位格架的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明,SSG模型計(jì)算得到的子通道壁溫的軸向分布最低,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合最好,RNGκ-ε模型的壁面溫度最高;壁面溫度、流體溫度、二次流速度和湍動(dòng)能的周向分布規(guī)律相似,在直段和弧段的夾角位置最高,在弧邊中點(diǎn)處最低,說(shuō)明子通道內(nèi)周向換熱不均勻;外壁溫比內(nèi)壁溫周向分布更均勻,SSG模型計(jì)算得到的壁面溫度周向分布最均勻。湍流模型的選擇對(duì)流體平均溫度和主流平均速度軸向分布影響很小;在子通道橫截面,流體溫度、二次流速度和湍動(dòng)能從中心到內(nèi)壁面沿徑向遞增,而主流速度的徑向分布規(guī)律正好相反;主流速度在近壁處周向分布不均勻,在夾角位置最小,在直邊中點(diǎn)處最大;在?=0°特征線,SSG模型計(jì)算得到的主流相對(duì)速度徑向梯度最大,主流速度變化最快,在?=33.7°特征線,SSG模型的主流相對(duì)速度在近壁面處最大,主流相對(duì)速度徑向梯度最小,主流速度變化最慢,在?=60°特征線,RNGκ-ε模型的主流相對(duì)速度徑向梯度最大,主流速度變化最快。SSG模型計(jì)算得到的二次流平均速度比其他模型大得多,近壁面處二次流較大的地方內(nèi)壁溫和流體溫度較低;RNGκ-ε模型計(jì)算得到的平均湍動(dòng)能最大,SSG模型比SST模型的湍動(dòng)能的周向分布更均勻。綜上所述,SSG模型計(jì)算得到的子通道內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)最均勻,傳熱特性最好。質(zhì)量流率、壓力和內(nèi)壁面熱流密度對(duì)超臨界水傳熱特性的影響規(guī)律如下:在壓力和熱流密度不變的情況下,隨著質(zhì)量流率增大,內(nèi)、外壁溫度均降低,傳熱系數(shù)升高;質(zhì)量流率的提高能夠強(qiáng)化子通道內(nèi)流體換熱;超臨界水比超臨界氣換熱效果好。在低焓區(qū),不同壓力下的內(nèi)、外壁溫度和傳熱系數(shù)曲線基本重合;壁面溫度在擬臨界焓區(qū)的升高趨勢(shì)比在低焓區(qū)和高焓區(qū)平緩;在高焓區(qū),不同壓力下的壁溫差隨主流焓增加逐漸減小;壓力對(duì)傳熱系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在擬臨界焓區(qū),傳熱系數(shù)隨著壓力增大而減小。熱流密度越大,內(nèi)、外壁溫越高;在低焓區(qū),熱流密度的變化對(duì)換熱系數(shù)影響較小,在大比熱區(qū)和高焓區(qū),不同熱流密度下的傳熱系數(shù)差別較大,傳熱系數(shù)隨著熱流密度增大顯著減小;說(shuō)明熱流密度對(duì)超臨界水傳熱特性的影響小于對(duì)超臨界氣的影響。有定位格架的內(nèi)、外壁溫軸向分布比無(wú)定位格架的略低,在定位格架段差別尤其明顯,說(shuō)明定位格架能夠強(qiáng)化子通道內(nèi)流體的換熱;同一截面上有定位格架的內(nèi)、外壁溫在0°到60°的變化趨勢(shì)與無(wú)定位格架的基本一致,說(shuō)明定位格架在此范圍對(duì)周向傳熱的影響較小;有、無(wú)定位格架兩種情況下的內(nèi)、外壁溫在相同周向角位置的溫差在下游截面比上游小,表明在定位格架下游,隨著軸向距離的增加,定位格架的強(qiáng)化換熱作用逐漸減小。有定位格架時(shí)的流體平均溫度與無(wú)定位格架的軸向變化趨勢(shì)相似,無(wú)定位格架時(shí)的流體平均溫度略高,但是流體平均溫度在定位格架段出現(xiàn)先升高后又降低的劇烈變化;在定位格架段及其下游,橫截面上流體溫度在無(wú)定位格架時(shí)比有定位格架時(shí)周向分布更均勻。有定位格架時(shí),子通道內(nèi)流體質(zhì)量流率、主流速度、截面二次流速度和湍動(dòng)能的軸向分布規(guī)律相似,均在定位格架段先急劇升高后又迅速下降,主要是由于子通道流通面積在此處突然變化引起的。有定位格架時(shí)的二次流速度明顯增大,流體質(zhì)量流率、主流速度和湍動(dòng)能的在定位格架內(nèi)部及下游橫截面周向分布非常不均勻。
【圖文】：

3.1 數(shù)值計(jì)算模型3.1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅疚牡臄?shù)值計(jì)算基于 SCWR 類(lèi)三角形棒束子通道內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱試驗(yàn)展開(kāi)，該試驗(yàn)是在西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫高壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。試驗(yàn)件由直徑為 22 mm，長(zhǎng)度為 1000 mm 的 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼管加工而成，其橫截面幾何結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示，綠色區(qū)域代表流體通道，橙色區(qū)域表示固體材料。燃料棒呈三角形排列，直徑 D=8 mm，柵距比 P/D=1.4，子通道壁厚為 2.5 mm，水力直徑為 4.93 mm。試驗(yàn)段為垂直上升布置。如圖 3-1 所示，沿主流流動(dòng)方向，在試驗(yàn)段上依次設(shè)置六個(gè)橫截面來(lái)測(cè)量壁溫，距入口截面分別為 120 mm，280 mm，440 mm，600 mm，760 mm 和920 mm。試驗(yàn)段采用低電壓大電流交流電直接加熱，工質(zhì)的流量由質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得，流體溫度用布置在試驗(yàn)段進(jìn)出口的鎧裝熱電偶進(jìn)行測(cè)量，外壁溫度由布置在壁溫采集截面上的 54 個(gè)熱電偶測(cè)得，試驗(yàn)段的進(jìn)出口壓力用壓力變送器測(cè)量。試驗(yàn)中所有的測(cè)量參數(shù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集后輸入到工控機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型3.1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅疚牡臄?shù)值計(jì)算基于 SCWR 類(lèi)三角形棒束子通道內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱試驗(yàn)展開(kāi)，該試驗(yàn)是在西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫高壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。試驗(yàn)件由直徑為 22 mm，長(zhǎng)度為 1000 mm 的 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼管加工而成，其橫截面幾何結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示，綠色區(qū)域代表流體通道，橙色區(qū)域表示固體材料。燃料棒呈三角形排列，，直徑 D=8 mm，柵距比 P/D=1.4，子通道壁厚為 2.5 mm，水力直徑為 4.93 mm。試驗(yàn)段為垂直上升布置。如圖 3-1 所示，沿主流流動(dòng)方向，在試驗(yàn)段上依次設(shè)置六個(gè)橫截面來(lái)測(cè)量壁溫，距入口截面分別為 120 mm，280 mm，440 mm，600 mm，760 mm 和920 mm。試驗(yàn)段采用低電壓大電流交流電直接加熱，工質(zhì)的流量由質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得，流體溫度用布置在試驗(yàn)段進(jìn)出口的鎧裝熱電偶進(jìn)行測(cè)量，外壁溫度由布置在壁溫采集截面上的 54 個(gè)熱電偶測(cè)得，試驗(yàn)段的進(jìn)出口壓力用壓力變送器測(cè)量。試驗(yàn)中所有的測(cè)量參數(shù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集后輸入到工控機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。
【學(xué)位授予單位】：華北水利水電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TL331

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本文編號(hào)：2637746