準確預測壓水堆格架棒束通道的臨界熱流密度(CHF),對燃料組件格架的設計及篩選具有重要的指導意義。當前研究中采用數(shù)值方法預測格架棒束通道臨界熱流密度的研究較少。本文基于理論研究及實驗數(shù)據開發(fā)新的活化核心密度模型,構建了適用于壓水堆高壓工況的兩相CFD數(shù)值模型,基于兩相CFD模擬,并結合格架棒束通道的特點及CHF預測的原理,提出了適用于格架棒束通道CHF數(shù)值預測的模型及方法,為燃料組件格架的設計提供新的輔助手段。壓水堆燃料組件通常運行在高壓的工況下,現(xiàn)有的活化核心密度模型在高壓工況下的適用性存在不足,因此本文基于理論分析及實驗數(shù)據的擬合,開發(fā)了新的活化核心密度模型,該模型綜合考慮了壓力、接觸角及壁面過熱度的影響,通過與實驗數(shù)據的對比,驗證了模型的正確性,在高壓區(qū)域預測精度良好。對兩相CFD模擬過冷沸騰兩相流動所需的各個子模型進行敏感性分析,掌握各個子模型對兩相分布的影響,并結合實驗數(shù)據,對各個子模型或相關系數(shù)進行篩選,構建適用于壓水堆高壓工況過冷沸騰模擬的數(shù)值模型,主要采用考慮高壓影響的活化核心密度模型及汽泡脫離直徑模型。在準確模擬過冷沸騰兩相流動的基礎上,提出基于沸騰曲線二次轉折的CHF預測方法。以均勻加熱圓管為對象,對該預測方法在不同工況下的預測精度進行了研究,大部分工況預測精度良好,但在高局部含汽率、低質量流量和低壓力下的預測精度較低。同時研究發(fā)現(xiàn)非均勻加熱工況與均勻加熱工況的結果有所不同,基于壁面溫度和空泡份額的峰值,首次對非均勻加熱工況的CHF進行了數(shù)值預測,預測得到的CHF值及CHF發(fā)生的位置都與實驗符合良好。基于上述模型及CHF預測方法,對壓水堆格架棒束通道的CHF進行了數(shù)值預測研究。首先研究了子通道的情況,對PSBT實驗子通道部分進行了數(shù)值模擬,與實驗數(shù)據符合良好,建立的CHF預測方法適用于子通道。針對格架棒束通道的特點,對構建的數(shù)值模型進行適應性調整,模擬了全長尺寸格架棒束通道內過冷沸騰兩相流動,在CHF預測所關注的高空泡份額區(qū)域,與實驗值符合良好,并在兩相分布的基礎上,提出了壓水堆格架棒束通道CHF的預測方法。
【學位單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TL421.1
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景與意義
    1.2 國內外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 活化核心密度的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 燃料組件棒束通道內兩相分布研究現(xiàn)狀
            1.2.2.1 簡單結構中兩相CFD分析
            1.2.2.2 燃料組件棒束通道內兩相分布實驗研究
            1.2.2.3 燃料組件棒束通道內兩相CFD數(shù)值模擬
        1.2.3 CHF預測方法研究現(xiàn)狀
            1.2.3.1 經驗關系式方法
            1.2.3.2 機理模型
            1.2.3.3 CHF查詢表方法
            1.2.3.4 流體模化方法
            1.2.3.5 基于CFD的預測方法
        1.2.4 研究現(xiàn)狀小結
    1.3 研究目標與內容
第2章 活化核心密度模型的開發(fā)及驗證
    2.1 模型的初步構建
    2.2 各個參數(shù)的影響
        2.2.1 接觸角的影響
        2.2.2 壁面過熱度的影響
        2.2.3 壓力的影響
        2.2.4 新模型的關系式
    2.3 模型中系數(shù)的確定
        2.3.1 接觸角隨壁面溫度的變化
        2.3.2 壁面過熱度的影響
        2.3.3 其他系數(shù)的值
        2.3.4 新活化核心密度模型
    2.4 模型的驗證
    2.5 本章小結
第3章 高壓下過冷沸騰數(shù)值模型的構建
    3.1 兩相CFD模擬過冷沸騰的基本數(shù)值模型
        3.1.1 歐拉兩流體模型
        3.1.2 兩相間的動量傳遞
        3.1.3 兩相間的能量、質量傳遞
        3.1.4 汽泡直徑的處理方式
        3.1.5 壁面沸騰模型
    3.2 過冷沸騰數(shù)值模型的敏感性分析及改進
        3.2.1 基準模型的構建
        3.2.2 實驗概況及網格敏感性分析
        3.2.3 湍流耗散力系數(shù)
        3.2.4 升力和壁面潤滑力
        3.2.5 汽泡直徑的分布
        3.2.6 汽泡合并與破裂因子
        3.2.7 活化核心密度模型
        3.2.8 各個模型對兩相分布影響的綜合分析
    3.3 過冷沸騰兩相流動數(shù)值模型的綜合驗證
    3.4 本章小結
第4章 臨界熱流密度預測方法研究
    4.1 均勻加熱工況CHF的數(shù)值預測
        4.1.1 CHF的預測方法
        4.1.2 臨界位置的判定
        4.1.3 臨界空泡份額的影響
        4.1.4 不同工況對CHF預測精度的影響
        4.1.5 提高CHF預測精度的方法
    4.2 非均勻加熱工況CHF的數(shù)值預測
    4.3 本章小結
第5章 格架棒束通道CHF預測數(shù)值模型及方法
    5.1 子通道內兩相流動及CHF的數(shù)值預測
        5.1.1 實驗概況
        5.1.2 幾何建模及網格劃分
        5.1.3 網格的敏感性分析
        5.1.4 S-Gamma模型的敏感性分析
        5.1.5 多個子通道工況的數(shù)值預測
        5.1.6 截面空泡份額的詳細分布
        5.1.7 子通道CHF的數(shù)值預測
    5.2 格架棒束通道內兩相流動及CHF的數(shù)值模擬
        5.2.1 實驗概況
        5.2.2 格架的幾何建模及網格劃分
        5.2.3 單個攪混格架的網格敏感性分析
        5.2.4 全長尺寸5×5格架棒束通道的網格劃分
        5.2.5 全長尺寸5×5格架棒束通道內兩相流動的數(shù)值模擬
        5.2.6 全長尺寸5×5格架棒束通道CHF的數(shù)值模擬
    5.3 本章小結
第6章 結論與建議
    6.1 結論
    6.2 論文主要創(chuàng)新點
    6.3 建議與展望
參考文獻
致謝
附錄A 均勻加熱圓管CHF預測工況
個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果

【參考文獻】

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本文編號：2879149