弧形表面临界热流密度数值研究

摘要

临界热流是出现传热恶化现象时当地的热流值。在聚变反应堆的第一壁、偏滤器结构以及裂变反应堆的棒束、下封头结构中，由于存在较高的热流密度，在反应堆瞬态运行或者事故条件下可能会出现沸腾临界现象，从而带来严重的后果。因此，对这些关键部位临界热流密度(CHF)的精确预测对反应堆的设计和安全运行有着重要的意义。本文利用计算流体动力学方法(CFD)首次对带有扰流片结构的偏滤器流道的临界热流现象进行了分析，并同实验结果进行了对比分析，高压条件下，对带有绕流片结构的偏滤器冷却流道在参照试验设置的流量条件下CHF进行的模拟所得到的计算结果与实验结果误差较小。通过对144K、108K、72K、48K以及36K不同入口过冷度下CHF的计算，得出了针对该结构，入口过冷度对CHF的影响是非线性的结论，同时也发现了在较低过冷度下，由于单侧面加热以及螺旋流动的综合影响使得CHF出现在加热段的入口位置的“异常”现象。
　　在上述基础上以反应堆下封头外部冷却流道为研究对象，针对弧形流道单侧面加热下的CHF，本文进行了两相计算的模型敏感性分析，并对椭球和半球两种不同形状的弧形流道的CHF进行了研究和分析。
　　结果表明靠近加热壁面的首层网格高度、气泡直径以及成核密度等参数和模型的选取对临界热流模拟结果的准确性有着很大的影响，在几类非曳力项中湍流耗散力对CHF计算结果的影响性最大。在基于相同的热流分布和模型设置条件下，对半球型以及椭球型下封头弧形流道在不同的角度处CHF的计算结果表明不同的下封头外形只是对具体的CHF随角度变化的曲线有一定影响，不会很大程度上增大或者减小CHF的数值。综合本文对临界热流的计算，本文认为CHF的影响要素为:一是当地的热流密度需要达到一定的大小，二是当地壁面上积累一定程度的空泡份额。其中空泡份额的积累受上游功率累积以及气泡在壁面上受力的影响，其大小随当地的倾角（对应位置的切向角）变化而不同的。在上述两种因素的作用下弧形表面的CHF值随角度呈现出了较为复杂的变化规律。
　　综上所述，CFD方法可以用于复杂几何结构的CHF的初步预测，尤其是在高压下的预测结果同实验结果吻合良好，在低压下由于气泡直径与成核密度等辅助模型并不完全适用于低压条件，所以同实验值存在较大差距，但是其获得的变化规律仍然可供实验和设计人员参考。目前正在开展子模型的完善工作，相信基于新的模型在数值上的差距将会进一步缩小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 IVR-ERVC试验研究现状

1．2．2 临界热流数值模拟研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 临界热流密度数值方法研究

2．1 两相数值计算方法概述

2．2 Eulerian模型介绍

2．2．1 守恒方程

2．2．2 相间辅助模型

2．2．3 RPI Wall Boiling模型

2．3 偏滤器临界热流实验

2．4 数值建模

2．4．1 几何模型

2．4．2 网格划分

2．4．3 数值求解条件

2．5 计算结果讨论及分析

2．5．1 不同流量结果分析

2．5．2 不同过冷度结果分析

2．6 本章小结

第3章 弧形流道临界热流数值敏感性研究

3．1 数值建模

3．1．1 几何模型

3．1．2 网格划分

3．1．3 边界条件设置

3．1．4 CHF判断条件

3．2 两相模型敏感性分析

3．2．1 参数敏感性分析

3．2．2 首层网格的影响

3．2．3 湍流模型敏感性分析

3．2．4 气泡直径的影响

3．2．5 非曳力的影响

3．2．6 壁面沸腾模型

3．3 本章小结

第4章 弧形流道临界热流数值计算结果

4．1 半球型弧形表面临界热流计算结果

4．1．1 基本计算方法

4．1．2 90°位置CHF模拟

4．1．3 54．1°位置CHF模拟一不同下游功率分布的影响

4．1．4 27．37°位置CHF模拟

4．1．5 16．68°位置CHF模拟

4．1．6 半球型下封头临界热流计算结果与分析

4．2 椭球型弧形表面临界热流计算结果

4．2．1 数值建模

4．2．2 90°位置CHF模拟结果

4．2．3 54．1°位置CHF模拟

4．2．4 27．37°位置CHF模拟

4．2．5 16．68°位置CHF模拟

4．2．6 计算结果分析

4．3 不同弧形表面CHF随角度分布结果对比分析

4．4 数值计算与相关实验结果的对比

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 两相数值模拟方法总结

5．2 临界热流数值计算总结

5．3 展望

参考文献

致谢

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