超临界反应堆堆芯对流换热研究范文

《核动力工程杂志》2014年第三期

1计算模型

带有定位格架的SCWR燃料组件结构示意图见图1。两类定位格架的流动强化特征分别为交错叶片和流阻片，其简单说明见表1。燃料组件成三角形布置，定位格架距离入口150mm以消除入口效应的影响。流体流动方向为垂直向上，在本文中与坐标轴Z轴正方向一致。考虑到燃料组件的中心对称结构，采用图2a所示的阴影部分，即子通道的2/3为计算区域。该区域有2个典型位置，即子通道的中心区和窄缝区。本文中定义逆时针方向为周向角增大的方向，并分别用30°（-30°）及0o周向角代表中心区和窄缝区，如图2b所示。燃料组件的结构参数及相关物理条件由表2给出。采用非结构化多面体网格系统，暂不考虑燃料组件包壳的导热问题，故计算区域为单纯的流体区域。子通道入口条件为速度入口，入口雷诺数Re分为100000、50000，入口温度400℃以匹配燃料组件末端的高温工况。子通道出口条件为压力出口，出口压力为25MPa。壁面采用均匀热流密度条件，热流密度为800kW/m2。由于子通道内压力损失很小，压力的变化对超临界水的热物理性质影响极小，可认为此条件下超临界水的热物理性质仅是温度的函数。本文利用STARCCM具有的函数域（fieldfunction）功能自定义了超临界水在25MPa时的热物理性质，所有数据均来源于IAPWS-IF97。采用标准k-ε两层模型，配合两层混合y+壁面处理方式。两层混合y+壁面处理方式对粗糙的近壁面网格采用高y+壁面函数处理壁面；而对于较为细分的近壁面网格，该函数采用低y+壁面函数处理壁面。

2计算结果与讨论

通过分析计算发现，与无定位格架子通道相比，定位格架下游的包壳周向温度差异明显增大，最大温差甚至超过40K。对于无定位格架子通道以及带有阻流片型定位格架的子通道，最高包壳温度出现在周向角为0°，即子通道窄缝区。沿着周向角增大的方向（正向或负向），包壳温度逐渐降低；而对于交错叶片型定位格架，其下游包壳温度分布不再对称。较高的包壳温度出现在0°~-30°区域内，最高包壳温度则出现在周向角约为-13°的位置。本文的主要目的是从传热的角度探讨采用定位格架来有效降低燃料组件末端包壳温度的可行性，因此采用最高壁温或者最小换热系数对子通道内的热工水利特性进行分析，更有利于确保反应堆的安全性。图3给出了子通道内换热最差位置的包壳温度及换热系数沿子通道长度的分布趋势。对于阻流片型定位格架，取窄缝区位置；而对于交错叶片型定位格架，则取周向角为-13o位置。图3的横坐标为相对于定位格架下游末端的无量纲距离，其值等于相对于定位格架下游末端的距离（Zr）与子通道水力直径（Dh）的比值。图3中同时给出了无定位格架子通道窄缝区的包壳温度和换热系数（即HFDVs），温度和传热系数的水动力学充分发展值）分布，以此作为基准，来判断局部换热是否被强化或者弱化。从图3可以看出，在两类定位格架本体内部（-7.9≤Zr/Dh≤0），包壳温度和传热系数的变化趋势相同，说明流动强化特征对其上游的影响极小。由于定位格架对子通道的阻塞，流动面积减小而导致流体流速增加，格架本体内的局部换热得到有效强化，传热系数提高约40%。此现象表明，提高流速是一种强化子通道内局部换热的有效方式。流体流经格架本体上游末端时，由于格架本体的阻塞和扰动，湍流强度大幅增加而导致包壳温度迅速降低。随着流动在格架本体内进一步发展，包壳温度开始相对缓慢地上升直至格架本体下游末端。此现象是由进一步加剧的流动阻塞效应造成的。子通道窄缝区的宽度为1mm，而在格架本体内部，窄缝区的宽度进一步减小至0.35mm。由于窄缝区流动阻力较大，部分流体被迫流向较宽的子通道中心区。窄缝区由于冷却工质的缺失而导致包壳温度缓慢上升。在两类定位格架下游，均存在一个明显的换热强化区。与HFDVs相比，包壳温度明显降低，而局部换热系数则提高约20%。在此换热强化区，包壳温度和换热系数的分布趋势并不相同。对于阻流片型定位格架，此换热强化区的范围约为0<Zr/Dh≤40。阻流片位于子通道中心，对中心区流体产生了强烈的堵塞和导流，中和了此前由格架本体的存在而加剧的流动阻塞效应，中心区的部分流体被迫流向窄缝区，此区域的换热得到强化，直至子通道内的流动充分发展。交错叶片型定位格架下游的换热强化区覆盖范围远小于阻流片型定位格架，约为0<Zr/Dh≤15，其换热强化机理也与阻流片型不同。交错型叶片在其下游产生了强烈的漩涡流（图4）。从图4中可以看出，在子通道窄缝区和中心区分别产生了一个明显的漩涡状二次流流场。尽管窄缝区二次流速度小于中心区，此二次流仍然能够有效促进相邻子通道间的热量和质量交换，强化此区域的局部换热效果。这也解释了为什么在交错叶片型定位格架下游窄缝区的包壳温度要远低于HFDVs。交错叶片型定位格架下游的传热强化区并不是漩涡流所带来的唯一影响。从图3中可以清楚地观察到一个传热弱化的区域，即包壳温度高于HFDVs的区域，范围约为15<Zr/Dh<45。此区域的产生是由于漩涡流造成了其下游流体的轴向速度损失，从而弱化了换热效果。Holloway[5]等人在针对压水堆所做的相关实验中也观察到了这类现象，并推测轴向速度损失和子通道内的蜗旋偏移是造成传热弱化的可能原因。交错叶片型定位格架的这一特性显然不利于反应堆的安全性，在堆芯中应当避免在燃料组件末端高温区使用。图5给出了入口Re对换热系数的影响。图5中纵坐标为无量纲换热系数，其值等于装配有定位格架子通道的局部换热系数与HFDVs的比值，表征了子通道内传热被强化的程度。从图中可以看出，当Re从50000增大至100000时，阻流片型定位格架下游换热系数无明显的变化；而交错叶片型定位格架下游则不同。当Re=100000时，定位格架下游无量纲换热系数明显增大，并且传热弱化区域所覆盖的范围也小于Re=50000时的情况。此现象说明了交错叶片型定位格架在较高Re（流速）时，对子通道内局部换热的强化作用更为明显。

3结论

（1）阻流片型定位格格架能够中和流动阻塞效应，强化格架下有窄缝区局部传热效果。（2）交错叶片型定位格架在其下游造成漩涡流，加强子通道间的热量及质量交换，强化局部传热特性。（3）漩涡流会造成轴向速度损失，可能会导致格架下游局部传热弱化，影响堆芯安全性。

作者：朱晓静刘六井沈胜强单位：大连理工大学能源与动力学院中国船舶重工集团公司第719研究所