核反应堆热工分析 (84).pdf

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1、子通道模型分析思路Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University子通道模型基本方程物理模型中最大的不确定性是子通道间的相互交混。它们都是通过求解各子通道的质量守恒、能量守恒和轴向、横向动量守恒这几个基本方程来确定。通常是先计算各子通道内不同轴向高度上冷却剂的质量流量和焓值，求出最热的通道（焓升最大）。然后，再计算燃料元件的温度场，求出燃料芯块中心最高温度和燃料元件表面的最小临界热流密度比。交混过程：由于子通道间横向压力梯度引起的横向流，致

2、使子通道间产生净的质量、动量和能量交换。由压力和流量的随机波动引起的湍流交混，它只引起子通道间净的热量和动量交换，没有净质量交换。在两相流系统中，汽相具有向高速区和几何开阔区域转移的趋势，这种趋势通常称为“空泡漂移”，也会引起子通道间的质量、动量和能量交换。对于带定位格架棒束通道，定位格架导致的交混非常剧烈。Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University子通道模型基本方程子通道模型建立 几何模型inkinkinkhpM,outkoutko

3、utkhpM,sint,int,kkhMMultiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University子通道模型基本方程 数学模型质量守恒能量守恒动量守恒ikkiiiwzmtA0niikkkiknikririrQirrirr*kikk*iiiiTTKlshhwqrqPhwzhmthAii*shikikniiiii*kikkiiiAmzvKDfwuucosAgzPAuwzumtm2221轴向横向轴向横向kkkk*Gnikk*kkkwwlsvKPPlszwu

4、tw21Xiang Li,Deqi Chen et al.International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 130,2019,Pages 843-856Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University子通道模型基本方程 数学模型efftvCyUUkkkGWA kkGFG A kkkkGQhA ijQG hAG hSz jiQw hhzw h z ijwGS 引入无量纲量交混系数：采

5、用交混率来表征子通道间的交混量定义为相邻子通道间在主流方向单位长度上由于交混引起的质量交换w各向异性搅混模型Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University子通道模型基本方程 数学模型各向异性搅混模型 类比分子扩散理论，定义交混扩散模型；基于三维CFD计算建立各向异性搅混矩阵；耦合到子通道程序进行分析。ijwGSnlnknjnilkjilkjilkji333343221111湍流交混湍流交混横向叉流横向叉流流动后掠流动后掠流动散射流动散射各

6、向异性Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University基于子通道程序的计算示例子通道模型的算例Geometric parametersValuesNumber of fuel rods(mm)Rod bundle length（mm）16493.2Number of sub-channels(mm)36Rod diameter(mm)9.5Rod pitch(mm)Spacer grid number12.61Spacer grid wid

7、th(mm)Spacer grid location(mm)hydraulic diameters(mm)6510711.8Operating conditionsValuesInlet flow velocity（m/s）2.78Inlet coolant temperature（K）460Outlet pressure（MPa）7.4power for inner rods（kW/m2）900power for external rods（kW/m2）300Axial power distributionUniform与CFD计算及实验的温度分布对比几何参数及运行工况Xiang Li,De

8、qi Chen et al.International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 130,2019,Pages 843-856Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University基于子通道程序的计算示例子通道模型的算例z/Dh=5z/Dh=10z/Dh=20 各向同性交混各向异性交混子通道出口质量流量分布不同截面子通道温度分布开式通道两相参数分布Xiang Li,Deqi Chen et

9、al.,International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 130,2019,Pages 843-856Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University基于子通道程序的计算示例子通道模型的算例开式通道两相参数分布不同子通道间横向流分布Xiang Li,Deqi Chen et al.,International Journal of Heat and Mass Transfer,Vo

10、lume 130,2019,Pages 843-856Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University基于子通道程序的计算示例子通道模型的算例开式通道两相参数分布不同模型CHF和DNBR对比Xiang Li,Deqi Chen et al.,International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 130,2019,Pages 843-856Multiphase Flow&Interfac

11、e Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University其它子通道程序简介项目THERMIT-2能力及主要模型COBRA-TF能力及主要模型几何建模冷却剂中心或棒中心，但控制体只能为均匀规则子通道。生成四个壁面温度及棒中心温度分区域，分群组，建模能力较强数学模型三维方法直角坐标系，两流体两场模型。忽略粘性力和能量耗散，汽液两相压力相同三维及子通道方法。两流体三场方程，液滴和液膜能量相同，源项划分更为细致。动量搅混项仅出现在轴向方程中液滴液滴蒸发模型液滴场方程进行描述，另外还包括液滴夹带及去夹带模

12、型，即用于液滴计算的界面输运方程CHFW-3，Biasi等W-3,Zuber,Lienhard,Biasi等最小膜态沸腾温度Henry根据均匀核化温度及Henry模型相间传热传热或传质引起，分为CHF前和CHF后，与相间质量传递类似。不考虑液相对界面的传热。界面传热系数设为大值保持蒸汽为饱和。CHF后，液相饱和。根据流型获得界面大小，对每种流型，对过冷、过热汽水四种状态进行计算THERMIT-2是由美国麻省理工学院开发的两流体子通道程序。COBRA-TF是由美国太平洋西北实验室开发的两流体子通道程序。Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,

13、School of Energy&Power Engineering,Chongqing University其它子通道程序简介项目THERMIT-2能力及主要模型COBRA-TF能力及主要模型相间动量稳态和慢瞬态界面动量方程已验证，对于液滴流、极慢流、快速加速流动，模型未验证，界面面积根据 泡状、块状、塞状、环状确定。考虑 粘性、曳力、浮力，瞬态下的Basset和虚拟质量力。Levich,Wallis，同时LAST模型。模型较为简单根据流型获得界面大小，对不同流型分别计算，曵力定义隐式格式。粘性力项分为与壁面的和相间的，液滴没有壁面的。Ishii,Chawla，Wallis,Henstock

14、相间传质CHF前、CHF后传热，不考虑降压瞬态。根据池式沸腾区域划分确定。过冷沸腾模型用于CHF前，Saha用于CHF后。通过相间传热计算壁面传热CHF前，CHF后。稳态和瞬态CHF预测能力。根据沸腾曲线划分流型。模型有Bjornard模型，Sieder-Tate，Chen（低热流密度更 准，BWR）等；液 滴 蒸 发；W-3,CISE-4，BIASI，Barnett,Hench-Levy等。对于CHF后，考虑弥散流及膜态沸腾，过渡沸腾插值获得。沸腾曲线流型，外加反环状流区域、弥散液滴液膜区域、液滴沉积区域等。计算模型包括D-B，Wongand Hochreiter，层流，Sparrow,Ch

15、en,Thom,Hancod-Nicoll，Groenveld，Bromley等。还考虑辐射换热壁面水力经典模型。壁面切应力系数定义，包含摩擦和形阻。Wallis模型等湍流搅混模型湍流搅混，空泡扩散，交换率是流动含气率的函数。两种现象一起模拟等体积交换，两相视为单相的提升，最大值在环状流起始。简单函数模拟利用之前的均相流模型。模型包括Lahey，Beus，Wallis等考虑湍流搅混及空泡漂移，单仅在横向及纵向方向考虑，混合长度理论，等体积交换，Todreas and Kazimi模型，考虑不凝气体。模型包括Lahey等密度分布，Beus模型，Walli，Rogers and Roseharts

16、。Multiphase Flow&Interface Phenomena Laboratory,School of Energy&Power Engineering,Chongqing University小结 1.通过子通道分析方法，对子通道进行几何建模，以及建立数学模型，并通过程序研究得到子通道分析程序。2.目前，国内外已有大量用于反应堆热工水力计算的子通道模型程序。这些程序的差别主要在于处理横流混合的方法和联合求解方程组的方法各有不同。这些程序的水力模型基本相似，物理模型中最大的不确定性是子通道间的相互作用。3.考虑子通道间各向异性搅混非常重要，特别是针对带格架棒束通道。基于子通道程序的计算示例