超臨界反應(yīng)堆堆芯對(duì)流換熱研究范文

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《核動(dòng)力工程雜志》2014年第三期

1計(jì)算模型

帶有定位格架的SCWR燃料組件結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。兩類(lèi)定位格架的流動(dòng)強(qiáng)化特征分別為交錯(cuò)葉片和流阻片，其簡(jiǎn)單說(shuō)明見(jiàn)表1。燃料組件成三角形布置，定位格架距離入口150mm以消除入口效應(yīng)的影響。流體流動(dòng)方向?yàn)榇怪毕蛏希诒疚闹信c坐標(biāo)軸Z軸正方向一致。考慮到燃料組件的中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，采用圖2a所示的陰影部分，即子通道的2/3為計(jì)算區(qū)域。該區(qū)域有2個(gè)典型位置，即子通道的中心區(qū)和窄縫區(qū)。本文中定義逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)橹芟蚪窃龃蟮姆较颍⒎謩e用30°（-30°）及0o周向角代表中心區(qū)和窄縫區(qū)，如圖2b所示。燃料組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及相關(guān)物理?xiàng)l件由表2給出。采用非結(jié)構(gòu)化多面體網(wǎng)格系統(tǒng)，暫不考慮燃料組件包殼的導(dǎo)熱問(wèn)題，故計(jì)算區(qū)域?yàn)閱渭兊牧黧w區(qū)域。子通道入口條件為速度入口，入口雷諾數(shù)Re分為100000、50000，入口溫度400℃以匹配燃料組件末端的高溫工況。子通道出口條件為壓力出口，出口壓力為25MPa。壁面采用均勻熱流密度條件，熱流密度為800kW/m2。由于子通道內(nèi)壓力損失很小，壓力的變化對(duì)超臨界水的熱物理性質(zhì)影響極小，可認(rèn)為此條件下超臨界水的熱物理性質(zhì)僅是溫度的函數(shù)。本文利用STARCCM具有的函數(shù)域（fieldfunction）功能自定義了超臨界水在25MPa時(shí)的熱物理性質(zhì)，所有數(shù)據(jù)均來(lái)源于IAPWS-IF97。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩層模型，配合兩層混合y+壁面處理方式。兩層混合y+壁面處理方式對(duì)粗糙的近壁面網(wǎng)格采用高y+壁面函數(shù)處理壁面；而對(duì)于較為細(xì)分的近壁面網(wǎng)格，該函數(shù)采用低y+壁面函數(shù)處理壁面。

2計(jì)算結(jié)果與討論

通過(guò)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，與無(wú)定位格架子通道相比，定位格架下游的包殼周向溫度差異明顯增大，最大溫差甚至超過(guò)40K。對(duì)于無(wú)定位格架子通道以及帶有阻流片型定位格架的子通道，最高包殼溫度出現(xiàn)在周向角為0°，即子通道窄縫區(qū)。沿著周向角增大的方向（正向或負(fù)向），包殼溫度逐漸降低；而對(duì)于交錯(cuò)葉片型定位格架，其下游包殼溫度分布不再對(duì)稱(chēng)。較高的包殼溫度出現(xiàn)在0°~-30°區(qū)域內(nèi)，最高包殼溫度則出現(xiàn)在周向角約為-13°的位置。本文的主要目的是從傳熱的角度探討采用定位格架來(lái)有效降低燃料組件末端包殼溫度的可行性，因此采用最高壁溫或者最小換熱系數(shù)對(duì)子通道內(nèi)的熱工水利特性進(jìn)行分析，更有利于確保反應(yīng)堆的安全性。圖3給出了子通道內(nèi)換熱最差位置的包殼溫度及換熱系數(shù)沿子通道長(zhǎng)度的分布趨勢(shì)。對(duì)于阻流片型定位格架，取窄縫區(qū)位置；而對(duì)于交錯(cuò)葉片型定位格架，則取周向角為-13o位置。圖3的橫坐標(biāo)為相對(duì)于定位格架下游末端的無(wú)量綱距離，其值等于相對(duì)于定位格架下游末端的距離（Zr）與子通道水力直徑（Dh）的比值。圖3中同時(shí)給出了無(wú)定位格架子通道窄縫區(qū)的包殼溫度和換熱系數(shù)（即HFDVs），溫度和傳熱系數(shù)的水動(dòng)力學(xué)充分發(fā)展值）分布，以此作為基準(zhǔn)，來(lái)判斷局部換熱是否被強(qiáng)化或者弱化。從圖3可以看出，在兩類(lèi)定位格架本體內(nèi)部（-7.9≤Zr/Dh≤0），包殼溫度和傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明流動(dòng)強(qiáng)化特征對(duì)其上游的影響極小。由于定位格架對(duì)子通道的阻塞，流動(dòng)面積減小而導(dǎo)致流體流速增加，格架本體內(nèi)的局部換熱得到有效強(qiáng)化，傳熱系數(shù)提高約40%。此現(xiàn)象表明，提高流速是一種強(qiáng)化子通道內(nèi)局部換熱的有效方式。流體流經(jīng)格架本體上游末端時(shí)，由于格架本體的阻塞和擾動(dòng)，湍流強(qiáng)度大幅增加而導(dǎo)致包殼溫度迅速降低。隨著流動(dòng)在格架本體內(nèi)進(jìn)一步發(fā)展，包殼溫度開(kāi)始相對(duì)緩慢地上升直至格架本體下游末端。此現(xiàn)象是由進(jìn)一步加劇的流動(dòng)阻塞效應(yīng)造成的。子通道窄縫區(qū)的寬度為1mm，而在格架本體內(nèi)部，窄縫區(qū)的寬度進(jìn)一步減小至0.35mm。由于窄縫區(qū)流動(dòng)阻力較大，部分流體被迫流向較寬的子通道中心區(qū)。窄縫區(qū)由于冷卻工質(zhì)的缺失而導(dǎo)致包殼溫度緩慢上升。在兩類(lèi)定位格架下游，均存在一個(gè)明顯的換熱強(qiáng)化區(qū)。與HFDVs相比，包殼溫度明顯降低，而局部換熱系數(shù)則提高約20%。在此換熱強(qiáng)化區(qū)，包殼溫度和換熱系數(shù)的分布趨勢(shì)并不相同。對(duì)于阻流片型定位格架，此換熱強(qiáng)化區(qū)的范圍約為0<Zr/Dh≤40。阻流片位于子通道中心，對(duì)中心區(qū)流體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的堵塞和導(dǎo)流，中和了此前由格架本體的存在而加劇的流動(dòng)阻塞效應(yīng)，中心區(qū)的部分流體被迫流向窄縫區(qū)，此區(qū)域的換熱得到強(qiáng)化，直至子通道內(nèi)的流動(dòng)充分發(fā)展。交錯(cuò)葉片型定位格架下游的換熱強(qiáng)化區(qū)覆蓋范圍遠(yuǎn)小于阻流片型定位格架，約為0<Zr/Dh≤15，其換熱強(qiáng)化機(jī)理也與阻流片型不同。交錯(cuò)型葉片在其下游產(chǎn)生了強(qiáng)烈的漩渦流（圖4）。從圖4中可以看出，在子通道窄縫區(qū)和中心區(qū)分別產(chǎn)生了一個(gè)明顯的漩渦狀二次流流場(chǎng)。盡管窄縫區(qū)二次流速度小于中心區(qū)，此二次流仍然能夠有效促進(jìn)相鄰子通道間的熱量和質(zhì)量交換，強(qiáng)化此區(qū)域的局部換熱效果。這也解釋了為什么在交錯(cuò)葉片型定位格架下游窄縫區(qū)的包殼溫度要遠(yuǎn)低于HFDVs。交錯(cuò)葉片型定位格架下游的傳熱強(qiáng)化區(qū)并不是漩渦流所帶來(lái)的唯一影響。從圖3中可以清楚地觀察到一個(gè)傳熱弱化的區(qū)域，即包殼溫度高于HFDVs的區(qū)域，范圍約為15<Zr/Dh<45。此區(qū)域的產(chǎn)生是由于漩渦流造成了其下游流體的軸向速度損失，從而弱化了換熱效果。Holloway[5]等人在針對(duì)壓水堆所做的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中也觀察到了這類(lèi)現(xiàn)象，并推測(cè)軸向速度損失和子通道內(nèi)的蝸旋偏移是造成傳熱弱化的可能原因。交錯(cuò)葉片型定位格架的這一特性顯然不利于反應(yīng)堆的安全性，在堆芯中應(yīng)當(dāng)避免在燃料組件末端高溫區(qū)使用。圖5給出了入口Re對(duì)換熱系數(shù)的影響。圖5中縱坐標(biāo)為無(wú)量綱換熱系數(shù)，其值等于裝配有定位格架子通道的局部換熱系數(shù)與HFDVs的比值，表征了子通道內(nèi)傳熱被強(qiáng)化的程度。從圖中可以看出，當(dāng)Re從50000增大至100000時(shí)，阻流片型定位格架下游換熱系數(shù)無(wú)明顯的變化；而交錯(cuò)葉片型定位格架下游則不同。當(dāng)Re=100000時(shí)，定位格架下游無(wú)量綱換熱系數(shù)明顯增大，并且傳熱弱化區(qū)域所覆蓋的范圍也小于Re=50000時(shí)的情況。此現(xiàn)象說(shuō)明了交錯(cuò)葉片型定位格架在較高Re（流速）時(shí)，對(duì)子通道內(nèi)局部換熱的強(qiáng)化作用更為明顯。

3結(jié)論

（1）阻流片型定位格格架能夠中和流動(dòng)阻塞效應(yīng)，強(qiáng)化格架下有窄縫區(qū)局部傳熱效果。（2）交錯(cuò)葉片型定位格架在其下游造成漩渦流，加強(qiáng)子通道間的熱量及質(zhì)量交換，強(qiáng)化局部傳熱特性。（3）漩渦流會(huì)造成軸向速度損失，可能會(huì)導(dǎo)致格架下游局部傳熱弱化，影響堆芯安全性。

作者：朱曉靜劉六井沈勝?gòu)?qiáng)單位：大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第719研究所