反應(yīng)堆子通道內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、超臨界水冷反應(yīng)堆（Supercritical Water Cooled Reactor，SCWR）是六種第四代未來(lái)堆芯中唯一的水冷堆。SCWR通道獨(dú)特而復(fù)雜，承受兆瓦級(jí)高熱流密度和強(qiáng)核熱反饋。由于受到高溫高壓等試驗(yàn)技術(shù)的限制，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)反應(yīng)堆子通道在超臨界壓力下傳熱特性深入分析成為一種有效方式。
　　以反應(yīng)堆棒束子通道為研究對(duì)象，在壓力23~28 MPa，熱流密度200~1000 kW/m2，質(zhì)量流速700~1300 k

2、g/(m2?s)，加熱管外徑8 mm，柵距比1.2~1.4的參數(shù)范圍內(nèi)，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX14.0，對(duì)反應(yīng)堆棒束子通道內(nèi)超臨界水傳熱特性及二次流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值的分析，驗(yàn)證使用的物理模型及數(shù)值方法的合理性。同時(shí)將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　對(duì)反應(yīng)堆棒束子通道模型進(jìn)行湍流模型驗(yàn)證及網(wǎng)格敏感性分析，確定SSG湍流模型模擬子通道內(nèi)超臨界水傳熱特性。建立子通道窄縫

3、區(qū)物理模型，經(jīng)湍流模型驗(yàn)證及網(wǎng)格敏感性分析確定SSG湍流模型模擬子通道窄縫區(qū)內(nèi)超臨界水二次流動(dòng)特性。
　　對(duì)子通道內(nèi)超臨界水流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。詳細(xì)分析了質(zhì)量流速、壓力、熱流密度以及柵距比對(duì)傳熱特性的影響。同時(shí)對(duì)子通道內(nèi)中心區(qū)和窄縫區(qū)傳熱不均勻性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，質(zhì)量流速增加，強(qiáng)化傳熱增強(qiáng)。大比熱區(qū)物性的劇烈變化引起了傳熱強(qiáng)化，在遠(yuǎn)離臨界壓力時(shí)，流體的熱物性變化趨于平緩，傳熱強(qiáng)化降低。在較高質(zhì)量流速下中心區(qū)與窄縫區(qū)

4、傳熱系數(shù)差值高于在較低質(zhì)量流速下的差值。隨著柵距比的增加，子通道周向壁溫分布趨于均勻，中心主流區(qū)與窄縫區(qū)換熱系數(shù)差值減小。
　　對(duì)子通道窄縫區(qū)二次流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值研究。研究結(jié)果表明，子通道在與主流區(qū)垂直方向形成了明顯的二次流場(chǎng)，二次流由位于中心主流區(qū)和窄縫區(qū)之間的4個(gè)對(duì)稱(chēng)漩渦組成。壓力、熱流密度和質(zhì)量流速對(duì)擬臨界區(qū)二次流結(jié)構(gòu)影響不大，但對(duì)二次流流場(chǎng)的強(qiáng)度有較大影響。隨著壓力和質(zhì)量流速的增加以及熱流密度的降低、均會(huì)使擬臨界區(qū)二次流流

5、速與主流速度的比值逐漸升高。
　　將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值對(duì)比分析，結(jié)果表明，數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的內(nèi)壁溫度與傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)一致。在遠(yuǎn)離大比熱區(qū)的低焓值區(qū)和高焓值區(qū)，數(shù)值模擬的結(jié)果能夠很好地預(yù)測(cè)超臨界水在子通道內(nèi)的傳熱特性。但大比熱區(qū)劇烈的物性變化，數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值有一定偏差。
　　本研究得到了國(guó)家自然基金（NO.51406026）和河南省高校創(chuàng)新人才計(jì)劃（NO.2012HASTIT018