燃料组件棒束内流动特性的实验及数值研究

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1、上海交通大学硕士学位论文燃料组件棒束内流动特性的实验及数值研究硕士研究生：俞洋学号：1120209282导师：程旭教授申请学位：工学硕士学科：核科学与技术所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2014年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterEXPERIMENTALANDNUMERICALINVESTIGATIONONCHARACTERISTICSOFFLOWINAFUELRODBUNDLECa

2、ndidate：YangYuStudentID:1120209282Supervisor：Prof.XuChengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：NuclearScienceandTechnologySchoolofMechanicalandAffiliation：EngineeringDateofDefence：Jan,2014Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity-I

3、I-上海交通大学硕士学位论文燃料组件棒束内流动特性的实验及数值研究摘要压水反应堆的燃料组件由一定数量的燃料棒排列而成，冷却剂沿轴向从燃料棒间流过，带走热量。有效地导出堆芯热量是影响反应堆的安全和经济性能的重要因素。因此，掌握棒束几何中的流动传热特性将有助于燃料组件的设计。计算流体力学（CFD）正成为核燃料组件设计的重要分析工具。而大量的经验表明，由于入口条件给定的不明确、网格划分的不合理、湍流模型选择的不合适等原因，采用CFD工具分析核燃料组件棒束流场仍然存在很大的不确定性。因此，需要利用实验数据对CFD分析结果进行更充

4、分的验证评价工作，从而得到CFD在核燃料组件流场计算中的最佳实践导则，为CFD在核燃料组件设计中的应用提供指导。针对CFD验证评价的需求，本文设计了带简易定位装置的6x6棒束流场测试实验，并利用激光多普勒测速仪测量棒束内的流场。在实验中，从试验段侧向视窗测量了距离定位格架不同距离处的主流速度和主流湍流强度分布信息，而从试验段出口端面测量了近出口处三维速度与湍流强度的分布信息，从而得到了棒束内定位装置下游的速度场及雷诺应力演变规律。实验中，通过在实验本体内设置不同的P/D（棒间距/棒直径）比，研究了P/D比对轴向速度分布的

5、影响。研究发现，P/D小的栅格比P/D大的栅格更容易出现大的局部轴向速度；紧密栅格能够维持高湍流强度，即使在没有定位格架的交混效应的区域也同样如此。此外，为了研究雷诺数对流场的影响，本文选取的雷诺数为6600至70000。在雷诺数的影响分析中，发现较紧密的栅格结构中，雷诺数效应较弱，而P/D较大栅格中，雷诺数效应较强。在CFD分析结果的验证评价中，本文选取了SSTk、BSLRSMI摘要和SSGRSM三种湍流模型对实验工况进行计算分析。通过与试验结果比较发现，BSLRSM模型在轴向速度的模拟上其结果与实验值最为相似。而

6、在湍流强度的预测方面，BSLRSM和SSGRSM模型在边通道区域模拟数值与实验值差异较大。关键词：核燃料组件、流场分布、激光多普勒测速、CFD分析、湍流模拟-II-上海交通大学硕士学位论文EXPERIMENTALANDNUMERICALINVESTIGATIONONCHARACTERISTICSOFFLOWINAFUELRODBUNDLEABSTRACTThefuelassemblyofapressurizedwaterreactorconsistsofabundleoffuelrods.Inareactorcoreth

7、ecoolantflowsaxiallythroughtherod-bundlefuelassemblyandremovestheheat.Theefficiencyofheatremovalisessentialfortheoperationsafetyandeconomicperformanceofanuclearreactor.Hence,morecomprehensiveunderstandingofflowandheattransfercharacteristicinarodbundlecanhelpthede

8、signoffuelassembly.Recently,ComputationalFluidDynamics(CFD)isbecominganimportanttoolforthedesignandperformanceanalysisoffuelassemblies.However,ithasbeenrecogni