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【6h】

含叶片格架对棒束通道流动传热影响的数值模拟研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 实验研究现状

1.2.2 CFD数值模拟研究现状

1.3 本文研究内容

2.1 引言

2.2 流体控制方程

2.3 湍流模型

2.3.1 κ-ε模型

2.3.2 RNG κ-ε模型

2.3.3 SST k-w模型

2.4 汽液两相流模型

2.4.2.破碎模型

2.4.3 融合模型

2.5 本章小结

第3章 模型建立与湍流模型选择

3.1 几何建模

3.2 网格划分

3.2.1 网格划分基础

3.2.2 网格敏感性分析

3.2 湍流模型适用性分析

3.3.1 压降

3.3.2 沿程归一化Nu数

3.3.3 横向速度

3.4 小结

第4章 单相计算结果

4.2.1 组件高度方向截面流场分布特征

4.2.2 组件下游横截面流场分布特征

4.3 格架各结构对流场的影响研究

4.3.1 各结构部件对流场搅混影响分析

4.3.2 各结构部件对流场换热特性影响分析

4.3.3 各结构部件对流场压强的影响分析

4.4 小结

第5章 两相计算结果

5.1 参数敏感性分析

5.2 不同格架两相流动计算结果对比

5.2.1 格架对气泡平均直径的影晌

5.2.2 格架对汽相分布的影响

5.3 两相瞬态计算结果分析

5.4 小结

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

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摘要

定位格架是燃料组件中重要部件之一,它能够支撑燃料棒束,并提高组件热工水力性能。因此,对其进行流动传热的数值模拟有重要意义。
  本文建立了5×5带定位格架的燃料棒束通道模型,利用ANSYS CFX16.0软件对其展开流动传热模拟计算。首先,根据模拟结果与实验数据的比较,探讨了几种不同的湍流模型对本研究的适用性。其次,研究在实际运行工况下,带格架燃料棒束通道内的流动传热特性,并建立三种不同格架结构的模型,用以研究搅混叶片、弹簧、刚凸等结构对流场的影响。同时,采用考虑了气泡破裂聚并的MUSIG模型对含格架棒束通道中的汽-液两相流动模拟,探讨格架对气泡平均直径分布、汽相体积分率分布的影响。
  研究结果发现,当流体流过格架时,搅混叶片会引发流体的搅混,诱导二次流的产生,且能持续影响到格架下游较远处,继续诱发通道流体的掺混,从而提高传热效率。弹簧片、刚凸等结构也能引起一定程度的搅混。
  在汽-液两相流动计算中,汽相分布趋势与横流分布趋势很相近,在格架出口处先快速升高,再迅速下降,而后在下游逐渐回升。含搅混叶片格架的流道中,汽相整体聚积水平远低于不含搅混叶片格架的棒束通道。该现象在三种典型的燃料棒表面流场也同样出现,即搅混叶片引起的搅混对汽相的重新分布有很大影响,能够展平通道内流场焓升以抑制沸腾临界。
  根据两相瞬态计算结果,定位格架各结构部件对气泡都有分割撕裂作用。气泡流经过叶片时在搅混叶片背流面出现气泡滞留现象,但受叶片周围涡旋流动的影响,汽相体积分率将沿着叶片伸展方向逐渐衰减。气泡组群在通过搅混叶片后,通道内气泡平均直径,以及汽相体积分率都逐渐趋于平顺。说明搅混叶片诱发的搅混能够抑制气泡的合并,促使滞留气泡分裂成更小,更均匀的泡沫,防止大气泡积聚在流道较窄处导致热量堆积恶化传热。本文研究成果为进一步展开定位格架结构优化提供了相关数据基础,具有一定的参考意义。

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