發(fā)布時間：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。目前針對棒束通道內(nèi)超臨界水的試驗研究由于受技術(shù)和成本限制還很少,而且得到的試驗數(shù)據(jù)遠不能滿足超臨界水冷堆的研發(fā)和設(shè)計的需求。本文在類三角形子通道內(nèi)超臨界水流動傳熱試驗基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬的方法對棒束通道內(nèi)超臨界水流動傳熱特性進行全面深入的研究。為研究三角形棒束子通道內(nèi)流動傳熱特性,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的類三角形通道為研究對象建立流固耦合數(shù)值模型,采用計算流體力學(xué)軟件CFX 14.0,對通道內(nèi)流體溫度場、流場、壁溫及傳熱系數(shù)進行數(shù)值計算,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。計算結(jié)果表明,SSG模型計算得到的子通道壁溫的軸向分布最低,與試驗數(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,在弧邊中點處最低,說明子通道內(nèi)周向換熱不均勻;外壁溫比內(nèi)壁溫周向分布更均勻,SSG模型計算得到的壁面溫度周向分布最均勻。湍流模型的選擇對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,在直邊中點處最大;在?=0°特征線,SSG模型計算得到的主流相對速度徑向梯度最大,主流速度變化最快,在?=33.7°特征線,SSG模型的主流相對速度在近壁面處最大,主流相對速度徑向梯度最小,主流速度變化最慢,在?=60°特征線,RNGκ-ε模型的主流相對速度徑向梯度最大,主流速度變化最快。SSG模型計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模型計算得到的平均湍動能最大,SSG模型比SST模型的湍動能的周向分布更均勻。綜上所述,SSG模型計算得到的子通道內(nèi)溫度場、流場最均勻,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;說明熱流密度對超臨界水傳熱特性的影響小于對超臨界氣的影響。有定位格架的內(nèi)、外壁溫軸向分布比無定位格架的略低,在定位格架段差別尤其明顯,說明定位格架能夠強化子通道內(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°的變化趨勢與無定位格架的基本一致,說明定位格架在此范圍對周向傳熱的影響較小;有、無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,定位格架的強化換熱作用逐漸減小。有定位格架時的流體平均溫度與無定位格架的軸向變化趨勢相似,無定位格架時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定位格架時比有定位格架時周向分布更均勻。有定位格架時,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。有定位格架時的二次流速度明顯增大,流體質(zhì)量流率、主流速度和湍動能的在定位格架內(nèi)部及下游橫截面周向分布非常不均勻。
【圖文】：

3.1 數(shù)值計算模型3.1.1 試驗?zāi)Ｐ捅疚牡臄?shù)值計算基于 SCWR 類三角形棒束子通道內(nèi)超臨界水流動傳熱試驗展開，該試驗是在西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室高溫高壓試驗臺上進行的。試驗件由直徑為 22 mm，長度為 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。試驗段為垂直上升布置。如圖 3-1 所示，沿主流流動方向，在試驗段上依次設(shè)置六個橫截面來測量壁溫，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)量流量計測得，流體溫度用布置在試驗段進出口的鎧裝熱電偶進行測量，外壁溫度由布置在壁溫采集截面上的 54 個熱電偶測得，試驗段的進出口壓力用壓力變送器測量。試驗中所有的測量參數(shù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集后輸入到工控機內(nèi)進行處理。

3.1 數(shù)值計算模型3.1.1 試驗?zāi)Ｐ捅疚牡臄?shù)值計算基于 SCWR 類三角形棒束子通道內(nèi)超臨界水流動傳熱試驗展開，該試驗是在西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室高溫高壓試驗臺上進行的。試驗件由直徑為 22 mm，長度為 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。試驗段為垂直上升布置。如圖 3-1 所示，沿主流流動方向，在試驗段上依次設(shè)置六個橫截面來測量壁溫，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)量流量計測得，流體溫度用布置在試驗段進出口的鎧裝熱電偶進行測量，外壁溫度由布置在壁溫采集截面上的 54 個熱電偶測得，試驗段的進出口壓力用壓力變送器測量。試驗中所有的測量參數(shù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集后輸入到工控機內(nèi)進行處理。
【學(xué)位授予單位】：華北水利水電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TL331

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本文編號：2637746