基于共轭传热的棒束通道两相流动及CHF特性研究

Accurate prediction of the critical heat flux (CHF) in a PWR fuel rod bundle with spacer grid is of great importance for the design and screening of nuclear fuel assembly. Recently, most of the researches on the prediction of CHF in a rod bundle with spacer grid through numerical approach do not take the effect of conjugate heat transfer into consideration. This project will establish the numerical models to simulate the boiling two-phase flow with conjugate heat transfer through mechanism analysis. On the basis of boiling two-phase flow, new method to predict the CHF will be proposed and the effect of conjugate heat transfer on the simulation of boiling two-phase flow and CHF prediction will be studied. Then, through simulation on the boiling two-phase flow in fuel rod bundles with spacer grid, and analysis on the relation between CHF and two-phase distribution, numerical models and method for the prediction of CHF in PWR rod bundle with spacer grid will be proposed. This project will clarify the mechanism of boiling two-phase flow with conjugate heat transfer, providing guidance for the design, optimization and safety analysis of spacer grid.

准确预测压水堆格架棒束通道的临界热流密度（CHF），对燃料组件格架的设计及筛选具有重要的指导意义。当前采用数值方法预测棒束通道CHF的研究中大多并未考虑流固共轭传热的影响。本项目将通过深入研究流固共轭传热两相流动的机理，建立共轭传热两相流动模拟的数值模型，在此基础上建立CHF的预测方法并分析共轭传热对两相流动模拟和CHF预测的影响规律。最后通过数值模拟研究压水堆格架棒束通道内的沸腾两相分布特性，分析CHF的发生与两相分布的联系，建立棒束通道CHF的预测方法和模型。本项目的开展，有助于揭示流固共轭传热两相流动的重要机理，为压水堆燃料组件的设计、优化和安全分析提供重要的指导。

准确预测压水堆格架棒束通道的临界热流密度（CHF），对燃料组件格架的设计及筛选具有重要的指导意义。当前采用数值方法预测棒束通道CHF的研究中大多并未考虑流固共轭传热的影响。本项目开展了基于流固共轭传热的沸腾两相流动数值模型研究，并基于该模型，对竖直加热圆管、燃料子通道和全长尺寸5×5格架棒束通道内沸腾两相流动及CHF预测方法进行了研究。具体如下：.1）耦合固体传热和流体过冷沸腾两相流动，通过流固界面传递，建立了基于流固共轭传热的过冷沸腾两相流动数值模型。.2）采用流固共轭传热两相流动数值模型，对燃料棒典型栅元和竖直加热圆管内过冷沸腾两相流动进行了模拟，计算得到值与试验值都符合良好。同时发现在入口和出口处，采用共轭传热能更好的模拟出口处壁面温度下降的趋势，但对于截面平均空泡份额和主流的平均温度影响较小。.3）采用准瞬态的方法，对圆管内CHF特性进行了数值预测，发现了与试验中壁面温度飞升相似的温度飞升现象。采用该预测方法，圆管工况平均误差仅为6.2%。.4）进一步对5×5全尺寸格架棒束两相流动进行了模拟，在高空泡份额的上部测量面计算得到值与试验值都吻合良好。同时发现采用共轭传热能更好捕捉加热表面热流密度的波动变化；在搅混翼下游附近平面加热棒表面两种模拟方式空泡份额分布规律基本一致；共轭传热在三个测量平面模拟周向液体温度都高于非共轭传热模拟结果且两者分布规律差距较大。.5）采用准瞬态的方法，对5×5全尺寸格架棒束通道CHF特性进行了数值预测，发现了与试验中壁面温度飞升相似的温度飞升现象。预测得到的CHF值的误差为-13.5%。.本项目的开展，有助于揭示流固共轭传热两相流动的重要机理，为压水堆燃料组件的设计、优化和安全分析提供重要的指导。