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熱性能、穩(wěn)定的化學性質(zhì)以及高沸點、低熔點等特性，是鉛基反應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構復雜、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、科學院戰(zhàn)略性先導科技專項“先進核裂變能mADS嬗變系統(tǒng)”項目背景下，基于中國鉛基反應堆概念設計方案，設計了電加熱實驗模擬組件，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，并基于實驗結果對湍流普朗特數(shù)修正的湍流渦粘模型(RNG、k-ε標準和SST模型)進行了驗證。論文的主要研究內(nèi)容和結果如下

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，結果表明:1）對于實驗組件結構，Novendstern阻力模型與實驗結果吻合較好，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，基于雷諾相似準則在水介質(zhì)中的壓降?；瘜嶒灲Y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，結果表明:1）棒束結構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)驗關聯(lián)式進行評估，針對實驗組件結構推薦Borishanskii模型，相對偏差在22％以內(nèi)。
　　基于實驗結果對修正的子通道程序開展了驗證和敏感性分析，結果表明:1）通過添加液態(tài)鉛鉍物性、帶繞絲棒束流動阻力關系式、液態(tài)金屬傳熱關系式的子通道程序能夠較好的預

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，結果表明:k-ε、RNG以及SST三種不同的湍流模型，在預測阻力和傳熱特性方面相互間的差異較小，在阻力模型預測方面都能夠較好的預測棒束的壓降數(shù)值，而在傳熱預測方面，在較高Pe數(shù)區(qū)域與實驗結

6、果吻合較好，在Pe＜300區(qū)域較實驗結果偏低，主要原因是由于定常湍流Prt假定所導致。
　　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堆的燃料組件設計提供實