棒束通道单相及两相流动与传热数值研究

摘要

棒束通道是一种广泛应用于核反应堆堆芯和其他工业设备中的狭长型非圆形通道，其热工水力特性与传统圆管和平板有很大不同。棒束通道结构紧凑，有效传热面积大，是一种高效经济的热工水力装置。压水堆燃料棒束规模较大，同时往往配备起固定和交混作用的格架和翼片，对流动与传热影响均较大。早期研究主要基于简化模型实验和一维系统程序，近年来随着计算机和数值求解技术的大力发展，计算流体力学(CFD)由于其众所周知的优点越来越多地应用于堆芯棒束通道内单相及两相流动与相变换热的精细化研究和设计。深入研究棒束通道内单相及两相流动与相变换热的数值计算方法和各数值模型应用特性，对今后正确和高效地将CFD工具应用到实际反应堆堆芯的热工水力研究和结构优化设计中具有重要意义。
　　压水堆堆芯棒束通道正常工况下为单相流，事故工况或为了提高堆芯输出功率则可能出现汽液两相流。本文分别以裸棒束通道和交混翼格架棒束通道为研究对象，主要通过数值计算、理论分析及数学物理建模等方法对棒束通道内单相及两相流动与相变换热的数值计算方法进行了较全面而深入的研究，主要工作及结论如下:
　　首先，单相流动与传热方面，鉴于过去十多年来不同学者从不同角度对各数值计算方法（湍流模型，近壁面处理方法，近壁面网格类型）在棒束通道中的应用特性得出了不同甚至完全相反的结论，本文从流动、传热及阻力特性等多方面综合评估了上述数值处理方法对裸棒束通道及交混翼棒束通道内单相流动与传热数值计算结果的影响，明确了上述各数值处理方法从不同流动和传热参数的角度来评估时表现出不同应用特性的原因。为简化交混翼通道数值研究过程，首先验证了周期性边界条件应用于两通道模型中的有效性，然后基于已验证的两通道模型研究上述数值方法在交混翼通道中的应用特性。研究发现，各数值处理方法在裸棒束通道和交混翼格架通道中表现出不同的应用特性。根据各湍流模型、近壁面处理方法及近壁面网格类型本身的特点及其在棒束通道中的应用特性，给出了分别针对棒束通道工程应用和理论研究的最佳数值求解方案，在保证数值计算精度的同时获得最高计算效率。
　　其次，两相流动与相变换热方面，首先分别验证了基于欧拉两流体六方程模型和壁面热流量分区模型的汽液两相流数值计算方法在圆管、三角形排列及方形排列棒束通道中的有效性。基于已验证了汽液两相流数值模型，通过与实验数据及经验公式的对比研究，明确了壁面沸腾模型中的三个关键子模型（气泡脱离壁面直径，壁面成核面密度，气泡脱离频率）及两个重要相间非曳力模型（升力，湍流耗散力）对棒束通道汽液两相流数值计算结果的影响，对今后棒束通道两相流数值计算在模型及参数的选择上提供较全面的参考。作为汽液两相流数值应用实例，本文研究了交混翼片及其偏折角在两相流工况下的热工水力性能，明确了交混翼片及气泡份额对交混翼通道内阻力、流动及传热特性的影响，并给出了交混翼片的最佳偏折角。
　　最后，本文引进或提出了三种方法来解决交混翼格架棒束通道中的巨大非结构化网格数导致难以对全尺寸燃料组件或堆芯进行数值求解的难题。这三种方法分别是分段求解技术(DDST)、多面体网格应用及强迫旋流动量源法(FSMS)。DDST有效解决了真实燃料组件由于轴向存在多个交混翼格架导致计算量过大的难题，通过分段求解，降低单次计算量，一方面可以实现全轴向高度上的数值求解，另一方面由于轴向计算域的减小可以适当扩大棒束规模而不会增大计算量。本文通过数值研究明确了DDST成功实施的关键。多面体网格分析结果证明，其相比于四面体网格，在保证同样计算精度的前提下，可使用更少的网格数量获得更高的计算效率和收敛性，非常适合于交混翼格架通道的数值计算。本文针对压水堆交混翼棒束通道提出了FSMS法的概念，对其进行了物理和数学建模，并验证了其有效性。FSMS法基于虚拟体积力原理，在裸棒束通道中模拟交混翼格架下游复杂流动和传热现象，能大大降低交混翼格架棒束通道数值计算量，有望应用于压水堆堆芯全尺度数值计算。最后基于DDST和多面体网格技术在常规计算机上实现了17×17的完整燃料组件数值计算，并证明了棒束尺寸对交混翼棒束通道的热工水力性能有明显影响。这意味着堆芯全尺度范围的数值计算不能由简化模型来代替。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 单相流研究现状

1．2．2 两相流研究现状

1．3 存在的问题

1．4 本文主要研究内容

第2章 单相及两相流动与传热数学模型

2．1 单相流基本方程

2．2 两相流基本方程

2．3 湍流模拟

2．2．1 RANS方程

2．2．1 雷诺应力输运模型

2．2．2 两方程涡粘模型

2．2．3 近壁面处理

2．4 壁面沸腾模型

2．4．1 壁面热流量分区模型

2．4．2 相间传输模型

2．4．3 气液两相流湍流模拟

2．5 本章小结

第3章 棒束通道单相流动与传热数值方法

3．1 无格架通道分析

3．1．1 几何模型及边界条件

3．1．2 网格模型及计算过程

3．1．3 结果分析

3．2 交混翼通道分析

3．2．1 周期性边界条件验证

3．2．2 数值方法应用特性

3．2．3 综合分析

3．3 本章小结

第4章 棒束通道两相流动与传热数值方法

4．1 壁面沸腾模型验证

4．1．1 圆管验证

4．1．2 棒束验证

4．2 壁面沸腾模型敏感性分析

4．2．1 壁面沸腾子模型参数敏感性分析

4．2．2 相间非曳力模型参数敏感性分析

4．3 壁面沸腾模型在棒束通道中的应用

4．4 本章小结

第5章 带交混翼格架的大规模棒束通道数值计算方法

5．1 分段求解技术

5．1．1 基本理论

5．1．2 数值计算及结果分析

5．2 多面体网格应用特性

5．3 强迫旋流动量源法(FSMS)

5．3．1 FSMS原理

5．3．2 FSMS验证

5．4 17×17燃料组件算例

5．5 本章小结

结论及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢