论文部分内容阅读
液态铅铋共晶合金(LBE)具有良好的中子性能和导热性能、稳定的化学性质以及高沸点、低熔点等特性，是铅基反应堆主要的冷却剂材料之一。LBE纵向冲刷燃料棒束的过程是堆芯组件热工设计与安全分析重要的研究课题，其基本问题是LBE与加热壁面的湍流换热。但是由于LBE较低的普朗特数，热边界层远大于流动边界层，湍流换热特性与常规介质存在明显差异，因此有必要对流道结构复杂、热负荷高的燃料组件内LBE的换热和流动行为进行研究。 本研究工作在中国科学院战略性先导科技专项“先进核裂变能mADS嬗变系统”项目背景下，基于中国铅基反应堆概念设计方案，设计了电加热实验模拟组件，开展了流动压降、换热系数、热入口特性以及热点温度等实验研究。并基于实验结果对修正后的子通道程序进行了验证和模型敏感性分析。最后通过流体动力学分析方法对LBE在绕丝棒束组件内的热场、流场进行分析，并基于实验结果对湍流普朗特数修正的湍流涡粘模型(RNG、k-ε标准和SST模型)进行了验证。论文的主要研究内容和结果如下: 开展了液态铅铋在带绕丝棒束间的流动阻力特性实验研究，结果表明:1）对于实验组件结构，Novendstern阻力模型与实验结果吻合较好，两者相对偏差在14％以内;2）与规则流道不同，由于绕丝产生的二次横流的差异，基于雷诺相似准则在水介质中的压降模化实验结果比相同雷诺数铅铋介质下的摩擦阻力系数偏大。 开展了液态铅铋在带绕丝棒束间的换热特性实验研究，结果表明:1）棒束结构流道的温度场的入口长度远大于规则流道流动工况，主要原因是由于子通道间的热量传递速率较慢;2）由于绝热外套管影响，中心内通道的传热系数高于外围通道，且由于子通道间交混作用次边内通道的传热行为也不同于中心内通道;3）对平均努塞尔数经验关联式进行评估，针对实验组件结构推荐Borishanskii模型，相对偏差在22％以内。 基于实验结果对修正的子通道程序开展了验证和敏感性分析，结果表明:1）通过添加液态铅铋物性、带绕丝棒束流动阻力关系式、液态金属传热关系式的子通道程序能够较好的预测液态铅铋冷却剂和包壳的温度;2）通过模型的敏感性分析，可以获得基于Novendstern阻力模型、Borishanskii换热模型的辅助模型组合与实验值更为接近，这与实验结论一致。 基于涡粘模型开展了液态铅铋在带绕丝棒束组件内的CFD研究，结果表明:k-ε、RNG以及SST三种不同的湍流模型，在预测阻力和传热特性方面相互间的差异较小，在阻力模型预测方面都能够较好的预测棒束的压降数值，而在传热预测方面，在较高Pe数区域与实验结果吻合较好，在Pe＜300区域较实验结果偏低，主要原因是由于定常湍流Prt假定所导致。 综上，本文开展了液态铅铋在带绕丝棒束组件内的热工水力特性研究，并基于自主实验数据对子通道程序和CFD涡粘模型进行了验证分析。通过实验与数值相结合的研究方法，掌握了液态铅铋冷却剂在带绕丝棒束组件内的流动与传热基本规律。本文的研究工作可为铅基反应堆燃料组件热工分析工具（CFD或子通道程序）的使用提供参考，同时为中国铅基反应堆的燃料组件设计提供实验与分析支持。