高温气冷堆氦气流动及燃料球冷却过程数值模拟

摘要

高温气冷堆是国际公认的一种具有良好安全特性的第四代核反应堆型。我国石岛湾高温气冷堆核电站预计于2017年竣工，有望成为世界首座模块式高温气冷堆商业化示范核电站。本文拟对规则床高温气冷堆中氦气与燃料球的流动与传热过程进行建模和数值模拟，预测高温气冷堆中的温度、速度和压力分布。
　　本文建立了简单体心立方和体心立方排列的球床代表模型，其中的燃料球模型使用真实燃料球的尺寸和发热区，氦气的物性是和温度、压力相关的变量。使用ICEMCFD对模型划分了结构化网格。对简单体心立方球床代表单元建立了包含两个半燃料球和两个整型燃料球的球床代表模型，以其中三号燃料球为代表对燃料球的温度场进行分析，对氦气的速度场和压力场提取数据并进行分析。对体心立方球床代表模型建立了七个八分之一燃料球的代表模型，以其中五号燃料球为代表对燃料球的温度场进行分析，对氦气的速度场和压力场提取数据进行分析。再通过FLUENT自带的PROFILE边界文件计算单元对简单体心立方球床和体心立方球床模型进行了叠加计算。再对不同速度下体心立方排列球床叠加模型进行了叠加计算。模拟结果显示:在规则球床之间的氦气流动时，每个燃料球后有氦气漩涡，氦气的流动分为主流区和回流区;燃料球的温度是中心靠上部位的温度最高，并随半径的增加而降低;燃料球之间切点附近的温度低于靠近氦气主流道区域的温度，上半球的温度高于下半球的温度;氦气的压力随燃料球之间的空隙呈波浪式降低。简单体心立方球床叠加计算的燃料球温升率为19.95K/m，氦气温度平均上升率为19.93K/m，平均压降率约为9156Pa/m。体心立方球床叠加计算的氦气温升率为57.11K/m，氦气平均温度上升率为54.67K/m。氦气压力平均变化率为5327Pa/m。即体心立方球床的温升率要高于简单体心立方球床，压降要低于体心立方球床。
　　在此基础拟合了体心立方规则球床在不同的表观速度下的温升率和阻力系数。以上结果对规则球床高温气冷堆设计有一定的参考意义。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 研究进展

1．2．1 高温气冷堆的发展概况和研究现状

1．2．2 高温气冷堆的特点

1．2．3 规则床模块化高温气冷堆

1．3 本文主要研究内容

第二章 简单体心立方规则燃料球床流动与传热数值数值

2．1 物理模型

2．2 数学模型

2．3 网格划分

2．4 物性参数

2．5 边界条件设置

2．6 数值模拟步骤

2．7 结果分析

2．7．1 氦气速度场

2．7．2 燃料球和氮气的温度

2．7．3 压降

2．7．4 连续体心立方球床模拟

2．8 本章小结

第三章 体心立方规则燃料球床流动与传热数值模拟

3．1 物理模型

3．2 数学模型

3．3 网格划分

3．4 物性参数

3．5 边界条件

3．6 数值模拟步骤

3．7 体心立方规则床燃料球数值模拟

3．7．1 氦气速度场

3．7．2 燃料球和氦气的温度

3．7．3 压降

3．7．4 连续体心立方球床模拟

3．8 本章小结

第四章 不同速度下体心立方高温气冷堆球床的温升和压降

4．1 不同速度条件下的温度场

4．1．1 单个燃料球的表面温度

4．1．2 氦气温度

4．2 不同速度条件下的氦气压力

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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