泡状流区域燃料组件子通道空泡漂移现象及影响机理研究

The sub-channel analysis code is an important tool for nuclear reactor thermal-hydraulics and safety analysis. The void drift behavior between the sub-channels has a great influence on the distribution of two-phase parameters such as the void fraction in the bundle. The existing sub-channel codes treat void drift as a purely empirical model, and the calculation results have a strong dependence on the selection of key model parameters. Based on experimental observations and the numerical simulation, this research makes an in-depth study on the law and influence mechanism of void drift between sub-channels, in the way of theoretical analysis. The study of void drift on a single bubble and a that of bubbly flow at low void fraction in sub-channels is performed by visual experiments and numerical simulations. Based on the basic equation, the influence mechanism of lift force on the void drift is analyzed, and the void drift model for the sub-channel program is developed. The research will enrich the existing theoretical results of thermal-hydraulics, improve the prediction accuracy and simulation ability of bubble flows. And thus improve the scalability of its promotion to more advanced reactor designs. With the deepening of the research and development of new advanced nuclear energy systems, this study is of great academic significance and engineering value.

子通道分析程序是核反应堆热工水力及安全分析的重要工具。子通道间的空泡漂移行为对预测压水堆DNB现象起着至关重要的作用。现有的子通道程序对空泡漂移现象的考虑以纯经验模型为主，计算结果对关键模型参数的选取具有很强的依赖性。本课题提出以实验观测为基础，以理论分析为主要手段，结合数值模拟的研究方案，对子通道间空泡漂移现象的规律和影响机理进行深入研究。采用可视化实验和数值模拟的方法对单个气泡和空泡份额较低情况下子通道间弥散气泡的漂移行为进行研究，以此为基础从基本方程出发分析升力对空泡漂移的影响机理，并开发可用于子通道程序的空泡漂移机理模型。研究将丰富现有热工水力学理论成果，提高现有子通道程序对泡状两相流工况的预测精度和模拟能力，从而提高其向更多先进反应堆工况推广的可扩展性。随着新型先进核能系统的研发的日益深入，本课题具有较强的学术意义和工程应用价值。

在水冷堆核电厂的正常运行或事故工况下，反应堆堆芯燃料棒束间可能存在气液两相流动。作为核电厂热工水力及安全分析的重要工具之一，子通道程序应对棒束内包括空泡漂移在内的两相流现象进行准确预测。. 本项目分别开展了针对并联子通道间两相横向交混行为的可视化实验以及CFD模拟计算。可视化实验段尺寸模拟了典型的压水堆燃料棒束间相邻的两个子通道，实验获得了不同工况下气相及液相横向交混的实验数据；数值模拟针对静水中单个气泡以及不同工况和几何条件下泡状流开展，得到了关于相间模型对气泡运动及分布的影响、平衡态下空泡分布与质量流速的关系等数值模拟数据库。. 研究发现，不同升力模型对数值模拟预测的空泡速度影响较小，对空泡在流道内的分布预测结果影响较大，但在典型的水冷堆边界条件下，空泡分布较为均匀，有略向流道中心聚集的趋势，与实验观测结果基本一致；对于并联的双通道内的两相流动，液相的交混率与平均质量流速的关系的实验结果与数值模拟结果有所不同，但其相关性都近似于线性；气相平衡态空泡之差正比于平均质量流速，其比例系数与气泡雷诺数有关。基于实验及数值模拟数据，本项目提出了适用于子通道程序两相交混计算的关系式模型，该模型将液相与气相的交混率分别予以考虑，可对光滑棒束内泡状流的两相横向交混量进行预测。. 项目的研究结果提出了新的子通道程序热工水力模型，可对子通道间两相交混进行更为精细的预测。项目研究成果扩展了现有两相流动实验与数值计算数据库，丰富了反应堆热工水力研究的理论成果，并具有一定的工程应用前景。