带导向管燃料组件内流动传热特性数值研究

摘要

现代大型压水堆（PWR）中采用17×17型燃料组件，其中导向管占24个栅元。导向管本身不发热，其栅元尺寸和结构与燃料棒栅元有显著的差异，使得导向管通道的流动传热与燃料棒通道会有明显不同；目前大多数关于燃料组件内流动传热特性的研究几乎没有考虑导向管带来的影响，因此，本文针对燃料组件内实际栅元，开展了7×7带导向管棒束通道内的流动传热特性的研究。　　首先，针对绝热两相工况和单相加热工况，研究了7×7棒束通道内的格架下游流场演变对相分布和温度分布的影响，研究表明涡流在格架顶部产生，在格架下游2Dh发展为对角型横流，在格架下游8Dh对角型横流不能维持，并在外圈棒束子通道中心产生新的二次涡流并一直持续到格架下游18Dh，二次涡流的持续存在使外圈棒束子通道中心内有较低的温度和较高的空泡份额，增强了子通道内的换热能力，但相邻子通道间的交混较弱。　　其次，对比分析了有无导向管棒束通道内的绝热两相和单相加热流动，研究发现导向管位置格架顶部的单翼片会使通过的流体在翼片顶部形成单涡旋，并且单涡旋会与其他子通道作用，但由于缺少另一侧涡旋，从而使格架下游对角型流动被分割开，因此少数几个子通道参与质量交混，翼片产生的强涡流在子通道间的相互作用距离有限，对于带导向管棒束来说，格架下游8Dh是转折点。带导向管棒束下游形成的二次涡流会再次相互作用，造成格架下游流场更加复杂。7×7不带导向管燃料棒束拥有较高的安全性，格架下游形成的二次涡流位于子通道中心，沸腾临界的风险较小，而带导向管棒束二次涡流的涡核靠近导向管附近燃料棒壁面，沸腾临界的风险较大。　　最后，基于子通道对比了三种棒束子通道标准Nu数，分析了格架下游流体的换热能力，通过空泡份额不均匀系数??分析了格架下游的相分布特性以及通过涡流交混因子定量评价了格架下游的交混特性。研究发现导向管棒束邻近子通道的交混能力弱，但是导向管较远位置的子通道二次流衰减较慢而交混能力有所提高；格架下游形成的二次涡流相互作用能有效减缓导向管邻近子通道交混能力的衰减，二次涡流主要在外圈区域产生，故此中心区域导向管邻近子通道受到二次涡流影响较小。

目录

符号说明

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 带格架棒束通道的研究现状

1.2.2 带导向管棒束的研究现状

1.3 研究内容及目标

2 几何与网格构建及模型选择

2.1 数值研究简介

2.2 湍流模型

2.3 两相流模型

2.4 几何模型构建

2.5 复杂结构网格构建

2.6 网格敏感性分析

2.7 数值计算方法验证

2.8 本章小结

3 带格架7×7 棒束通道内流动传热特性

3.1 工况和边界条件

3.2 格架对棒束通道内单相流动温度场的影响

3.3 格架对棒束通道内绝热两相流动相分布的影响

3.4 本章小结

4 导向管对棒束通道内流动传热的影响

4.1 导向管对温度分布的影响

4.2 导向管对相分布的影响

4.3 本章小结

5 有无导向管棒束通道内子通道流动传热特性

5.1 格架下游子通道内传热特性

5.2 格架下游子通道内相分布特性

5.3 格架下游子通道内交混特性

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

附录

致谢