近年來(lái),核能利用日益受到重視,核能發(fā)電總量占總發(fā)電量的比例逐年上升。為了滿足社會(huì)高速發(fā)展的需求,核反應(yīng)堆也面臨著優(yōu)化設(shè)計(jì)和更新?lián)Q代的問(wèn)題。開(kāi)發(fā)高性能新型核燃料棒是改善反應(yīng)堆熱工水力性能的一個(gè)重要研究方向,其中改進(jìn)核燃料棒幾何形狀的螺旋型燃料棒設(shè)計(jì)潛力巨大。目前,計(jì)算流體力學(xué)方法有助于螺旋型燃料棒熱工水力特性研究的開(kāi)展,且關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)冷卻劑在棒束通道內(nèi)流動(dòng)與換熱特性影響規(guī)律的研究較少,相關(guān)的流動(dòng)換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（范寧因子和努塞爾數(shù)）也基本處于空白狀態(tài)。因此,本文以螺旋型燃料棒所構(gòu)成的不同燃料組件為基礎(chǔ),探究結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)流動(dòng)與換熱特性的影響規(guī)律,開(kāi)發(fā)適用于螺旋型燃料棒的流動(dòng)換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。首先,本文在保持燃料棒裝料體積相等的前提下,將螺旋型燃料棒復(fù)雜的截面形狀拆分成由圓弧、直線等簡(jiǎn)單的幾何元素組成的幾部分,根據(jù)各個(gè)部分之間滿足的幾何關(guān)系,通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到各部分的取值范圍,由此得出了一整套螺旋型燃料棒結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其次,采用數(shù)值模擬方法選取SST k-ω湍流模型研究了過(guò)渡半徑RE、螺距h、棒束布置方式和花瓣瓣數(shù)這四項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃料組件流動(dòng)換熱特性的影響規(guī)律,通過(guò)進(jìn)出口... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

螺旋型燃料

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-2-a)四角俯視圖b)三角俯視圖c)燃料棒側(cè)面圖圖1-1螺旋型燃料棒結(jié)構(gòu)示意圖鑒于以上優(yōu)勢(shì)，螺旋型燃料棒在微型核反應(yīng)堆乃至商用壓水堆具備廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前這一新型燃料棒的制造生產(chǎn)技術(shù)尚未普及，造價(jià)也相對(duì)較高，加之堆芯實(shí)驗(yàn)需要在高溫高壓下進(jìn)行，具備試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的特點(diǎn)，故開(kāi)展全尺度的螺旋型燃料棒束熱工水力實(shí)驗(yàn)還有很長(zhǎng)一段路要走；另外，子通道程序分析的方法無(wú)法得到棒束通道內(nèi)部的流嘗溫度場(chǎng)變化。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）手段正逐漸用于棒束通道內(nèi)流動(dòng)與換熱現(xiàn)象研究，并可以獲得較為精確的三維場(chǎng)數(shù)據(jù)和相應(yīng)規(guī)律。這對(duì)將來(lái)研究者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室尺度下的熱工水力實(shí)驗(yàn)具備一定的參考價(jià)值。1.2研究現(xiàn)狀對(duì)于螺旋型燃料棒的數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究主要集中在俄羅斯和美國(guó)兩個(gè)國(guó)家。美國(guó)以麻省理工學(xué)院（MIT）為代表的的相關(guān)研究小組對(duì)螺旋型燃料棒進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，近幾年國(guó)內(nèi)也陸續(xù)有高校和企業(yè)對(duì)這一新興方向開(kāi)展數(shù)值模擬研究，而國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究目前還處于空白狀態(tài)。目前，世界上對(duì)螺旋型燃料棒束通道內(nèi)的研究正處于起步和摸索階段，相應(yīng)的資料和文獻(xiàn)較少。然而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)繞絲型燃料棒已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，加之繞絲型燃料棒和螺旋型燃料棒結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，故繞絲型燃料棒的相關(guān)研究可以為后者提供參考。1.2.1螺旋型燃料棒的實(shí)驗(yàn)研究俄羅斯早在前蘇聯(lián)時(shí)期就嘗試對(duì)核燃料的形狀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)過(guò)不斷摸索，發(fā)明了螺旋型燃料棒，掌握了其加工制造技術(shù)，并最終應(yīng)用于大型反應(yīng)堆。由于保密和語(yǔ)言的原因，與之相關(guān)的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一直處于保密狀態(tài)。蘇聯(lián)解體后，圣彼得堡核物理研究所[2]延續(xù)該領(lǐng)域做了大量的研究工作，并先后建立了SM和

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-的材料和螺旋型燃料棒的加工工藝有關(guān)。這其中就包括，Ageenkow[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了燃料元件加工過(guò)程中的工藝公差，并給出了其高斯分布，此外其還分析了核燃料材料的熱特性，認(rèn)為鋁化物有望成為核燃料的一種新的選擇。Diakov[5]和Yu[6]則致力于核燃料中鈾富集度的研究，通過(guò)進(jìn)行中子學(xué)計(jì)算，認(rèn)為低鈾富集度的核燃料同樣能夠滿足堆芯的功率要求。俄羅斯研究中心庫(kù)恰托夫研究所的Bol’shakov[7]等對(duì)VVER-T堆型的螺旋型燃料棒束進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)包括壓降特性和臨界熱流密度兩方面。燃料組件如圖1-2所示，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為72cm。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)所用的螺旋型燃料棒與MIT研究小組設(shè)計(jì)的螺旋型燃料棒在形狀上有很大的區(qū)別，其幾何參數(shù)由制造技術(shù)、VVER-T反應(yīng)堆的運(yùn)行條件以及反應(yīng)堆組件的中子和物理參數(shù)決定。壓降特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋型燃料組件的壓降略高于圓棒組件的壓降，但相差不大；臨界熱流密度實(shí)驗(yàn)通過(guò)提升冷卻劑入口溫度和棒束的加熱功率來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，往往是中心的燃料棒溫度驟生并發(fā)生燒毀現(xiàn)象。并將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與已有的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值高于關(guān)系式的計(jì)算值。圖1-2壓降特性和臨界熱流密度實(shí)驗(yàn)燃料組件圖[7]美國(guó)方面，Conboy[8-12]在研究生階段進(jìn)行了大量的研究工作，其碩士和博士課題均圍繞螺旋型燃料棒展開(kāi)，期間發(fā)表了大量的文章。研究?jī)?nèi)容涵蓋燃料棒結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與改良、COSMOS有限元分析、子通道程序的開(kāi)發(fā)以及小尺度的實(shí)驗(yàn)等多個(gè)方面。如圖1-3、1-4所示，MIT研究小組以參考組件為出發(fā)點(diǎn)，以燃料橫截面積（或燃料體積和質(zhì)量）和組件尺寸保證不變、且氫-重金屬原子比（H/HM）接近作為準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了不同橫截面尺寸的螺旋型燃料棒。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Lee相變傳質(zhì)方程中傳質(zhì)系數(shù)取值的分析[J]. 邱國(guó)棟,蔡偉華,吳志勇,姜益強(qiáng),姚楊.  哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2014(12)
[2]快堆燃料組件棒束通道內(nèi)流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象分析與研究[J]. 劉洋,喻宏,劉一哲.  原子能科學(xué)技術(shù). 2014(01)

博士論文
[1]棒束通道單相及兩相流動(dòng)與傳熱數(shù)值研究[D]. 李小暢.哈爾濱工程大學(xué) 2015

碩士論文
[1]大型先進(jìn)壓水堆燃料組件裂變產(chǎn)物釋放及擴(kuò)散機(jī)理研究[D]. 許銳.上海交通大學(xué) 2015
[2]含繞絲燃料組件內(nèi)鉛鉍冷卻劑流動(dòng)特性的數(shù)值分析[D]. 周振慰.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2014
[3]繞絲組件內(nèi)流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬[D]. 李崢.哈爾濱工程大學(xué) 2013
[4]粘彈性流體強(qiáng)迫各向同性湍流大渦數(shù)值模擬研究[D]. 王璐.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012
[5]快堆單盒燃料組件內(nèi)冷卻劑流場(chǎng)溫度場(chǎng)計(jì)算研究[D]. 劉一哲.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 2007



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