液態(tài)鉛鉍合金在帶繞絲棒束組件內(nèi)熱工水力行為研究.pdf

1、液態(tài)鉛鉍共晶合金(LBE)具有良好的中子性能和導(dǎo)熱性能、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及高沸點、低熔點等特性，是鉛基反應(yīng)堆主要的冷卻劑材料之一。LBE縱向沖刷燃料棒束的過程是堆芯組件熱工設(shè)計與安全分析重要的研究課題，其基本問題是LBE與加熱壁面的湍流換熱。但是由于LBE較低的普朗特數(shù)，熱邊界層遠大于流動邊界層，湍流換熱特性與常規(guī)介質(zhì)存在明顯差異，因此有必要對流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱負荷高的燃料組件內(nèi)LBE的換熱和流動行為進行研究。
　　本研究工作在中國

2、科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“先進核裂變能mADS嬗變系統(tǒng)”項目背景下，基于中國鉛基反應(yīng)堆概念設(shè)計方案，設(shè)計了電加熱實驗?zāi)M組件，開展了流動壓降、換熱系數(shù)、熱入口特性以及熱點溫度等實驗研究。并基于實驗結(jié)果對修正后的子通道程序進行了驗證和模型敏感性分析。最后通過流體動力學(xué)分析方法對LBE在繞絲棒束組件內(nèi)的熱場、流場進行分析，并基于實驗結(jié)果對湍流普朗特數(shù)修正的湍流渦粘模型(RNG、k-ε標(biāo)準(zhǔn)和SST模型)進行了驗證。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下

3、:
　　開展了液態(tài)鉛鉍在帶繞絲棒束間的流動阻力特性實驗研究，結(jié)果表明:1）對于實驗組件結(jié)構(gòu)，Novendstern阻力模型與實驗結(jié)果吻合較好，兩者相對偏差在14％以內(nèi);2）與規(guī)則流道不同，由于繞絲產(chǎn)生的二次橫流的差異，基于雷諾相似準(zhǔn)則在水介質(zhì)中的壓降?；瘜嶒灲Y(jié)果比相同雷諾數(shù)鉛鉍介質(zhì)下的摩擦阻力系數(shù)偏大。
　　開展了液態(tài)鉛鉍在帶繞絲棒束間的換熱特性實驗研究，結(jié)果表明:1）棒束結(jié)構(gòu)流道的溫度場的入口長度遠大于規(guī)則流道流動工況，主

4、要原因是由于子通道間的熱量傳遞速率較慢;2）由于絕熱外套管影響，中心內(nèi)通道的傳熱系數(shù)高于外圍通道，且由于子通道間交混作用次邊內(nèi)通道的傳熱行為也不同于中心內(nèi)通道;3）對平均努塞爾數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式進行評估，針對實驗組件結(jié)構(gòu)推薦Borishanskii模型，相對偏差在22％以內(nèi)。
　　基于實驗結(jié)果對修正的子通道程序開展了驗證和敏感性分析，結(jié)果表明:1）通過添加液態(tài)鉛鉍物性、帶繞絲棒束流動阻力關(guān)系式、液態(tài)金屬傳熱關(guān)系式的子通道程序能夠較好的預(yù)

5、測液態(tài)鉛鉍冷卻劑和包殼的溫度;2）通過模型的敏感性分析，可以獲得基于Novendstern阻力模型、Borishanskii換熱模型的輔助模型組合與實驗值更為接近，這與實驗結(jié)論一致。
　　基于渦粘模型開展了液態(tài)鉛鉍在帶繞絲棒束組件內(nèi)的CFD研究，結(jié)果表明:k-ε、RNG以及SST三種不同的湍流模型，在預(yù)測阻力和傳熱特性方面相互間的差異較小，在阻力模型預(yù)測方面都能夠較好的預(yù)測棒束的壓降數(shù)值，而在傳熱預(yù)測方面，在較高Pe數(shù)區(qū)域與實驗結(jié)

6、果吻合較好，在Pe＜300區(qū)域較實驗結(jié)果偏低，主要原因是由于定常湍流Prt假定所導(dǎo)致。
　　綜上，本文開展了液態(tài)鉛鉍在帶繞絲棒束組件內(nèi)的熱工水力特性研究，并基于自主實驗數(shù)據(jù)對子通道程序和CFD渦粘模型進行了驗證分析。通過實驗與數(shù)值相結(jié)合的研究方法，掌握了液態(tài)鉛鉍冷卻劑在帶繞絲棒束組件內(nèi)的流動與傳熱基本規(guī)律。本文的研究工作可為鉛基反應(yīng)堆燃料組件熱工分析工具（CFD或子通道程序）的使用提供參考，同時為中國鉛基反應(yīng)堆的燃料組件設(shè)計提供實