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《核動力工程雜志》2014年第三期

1計算模型

帶有定位格架的SCWR燃料組件結構示意圖見圖1。兩類定位格架的流動強化特征分別為交錯葉片和流阻片，其簡單說明見表1。燃料組件成三角形布置，定位格架距離入口150mm以消除入口效應的影響。流體流動方向為垂直向上，在本文中與坐標軸Z軸正方向一致。考慮到燃料組件的中心對稱結構，采用圖2a所示的陰影部分，即子通道的2/3為計算區域。該區域有2個典型位置，即子通道的中心區和窄縫區。本文中定義逆時針方向為周向角增大的方向，并分別用30°（-30°）及0o周向角代表中心區和窄縫區，如圖2b所示。燃料組件的結構參數及相關物理條件由表2給出。采用非結構化多面體網格系統，暫不考慮燃料組件包殼的導熱問題，故計算區域為單純的流體區域。子通道入口條件為速度入口，入口雷諾數Re分為100000、50000，入口溫度400℃以匹配燃料組件末端的高溫工況。子通道出口條件為壓力出口，出口壓力為25MPa。壁面采用均勻熱流密度條件，熱流密度為800kW/m2。由于子通道內壓力損失很小，壓力的變化對超臨界水的熱物理性質影響極小，可認為此條件下超臨界水的熱物理性質僅是溫度的函數。本文利用STARCCM具有的函數域（fieldfunction）功能自定義了超臨界水在25MPa時的熱物理性質，所有數據均來源于IAPWS-IF97。采用標準k-ε兩層模型，配合兩層混合y+壁面處理方式。兩層混合y+壁面處理方式對粗糙的近壁面網格采用高y+壁面函數處理壁面；而對于較為細分的近壁面網格，該函數采用低y+壁面函數處理壁面。

2計算結果與討論

通過分析計算發現，與無定位格架子通道相比，定位格架下游的包殼周向溫度差異明顯增大，最大溫差甚至超過40K。對于無定位格架子通道以及帶有阻流片型定位格架的子通道，最高包殼溫度出現在周向角為0°，即子通道窄縫區。沿著周向角增大的方向（正向或負向），包殼溫度逐漸降低；而對于交錯葉片型定位格架，其下游包殼溫度分布不再對稱。較高的包殼溫度出現在0°~-30°區域內，最高包殼溫度則出現在周向角約為-13°的位置。本文的主要目的是從傳熱的角度探討采用定位格架來有效降低燃料組件末端包殼溫度的可行性，因此采用最高壁溫或者最小換熱系數對子通道內的熱工水利特性進行分析，更有利于確保反應堆的安全性。圖3給出了子通道內換熱最差位置的包殼溫度及換熱系數沿子通道長度的分布趨勢。對于阻流片型定位格架，取窄縫區位置；而對于交錯葉片型定位格架，則取周向角為-13o位置。圖3的橫坐標為相對于定位格架下游末端的無量綱距離，其值等于相對于定位格架下游末端的距離（Zr）與子通道水力直徑（Dh）的比值。圖3中同時給出了無定位格架子通道窄縫區的包殼溫度和換熱系數（即HFDVs），溫度和傳熱系數的水動力學充分發展值）分布，以此作為基準，來判斷局部換熱是否被強化或者弱化。從圖3可以看出，在兩類定位格架本體內部（-7.9≤Zr/Dh≤0），包殼溫度和傳熱系數的變化趨勢相同，說明流動強化特征對其上游的影響極小。由于定位格架對子通道的阻塞，流動面積減小而導致流體流速增加，格架本體內的局部換熱得到有效強化，傳熱系數提高約40%。此現象表明，提高流速是一種強化子通道內局部換熱的有效方式。流體流經格架本體上游末端時，由于格架本體的阻塞和擾動，湍流強度大幅增加而導致包殼溫度迅速降低。隨著流動在格架本體內進一步發展，包殼溫度開始相對緩慢地上升直至格架本體下游末端。此現象是由進一步加劇的流動阻塞效應造成的。子通道窄縫區的寬度為1mm，而在格架本體內部，窄縫區的寬度進一步減小至0.35mm。由于窄縫區流動阻力較大，部分流體被迫流向較寬的子通道中心區。窄縫區由于冷卻工質的缺失而導致包殼溫度緩慢上升。在兩類定位格架下游，均存在一個明顯的換熱強化區。與HFDVs相比，包殼溫度明顯降低，而局部換熱系數則提高約20%。在此換熱強化區，包殼溫度和換熱系數的分布趨勢并不相同。對于阻流片型定位格架，此換熱強化區的范圍約為0<Zr/Dh≤40。阻流片位于子通道中心，對中心區流體產生了強烈的堵塞和導流，中和了此前由格架本體的存在而加劇的流動阻塞效應，中心區的部分流體被迫流向窄縫區，此區域的換熱得到強化，直至子通道內的流動充分發展。交錯葉片型定位格架下游的換熱強化區覆蓋范圍遠小于阻流片型定位格架，約為0<Zr/Dh≤15，其換熱強化機理也與阻流片型不同。交錯型葉片在其下游產生了強烈的漩渦流（圖4）。從圖4中可以看出，在子通道窄縫區和中心區分別產生了一個明顯的漩渦狀二次流流場。盡管窄縫區二次流速度小于中心區，此二次流仍然能夠有效促進相鄰子通道間的熱量和質量交換，強化此區域的局部換熱效果。這也解釋了為什么在交錯葉片型定位格架下游窄縫區的包殼溫度要遠低于HFDVs。交錯葉片型定位格架下游的傳熱強化區并不是漩渦流所帶來的唯一影響。從圖3中可以清楚地觀察到一個傳熱弱化的區域，即包殼溫度高于HFDVs的區域，范圍約為15<Zr/Dh<45。此區域的產生是由于漩渦流造成了其下游流體的軸向速度損失，從而弱化了換熱效果。Holloway[5]等人在針對壓水堆所做的相關實驗中也觀察到了這類現象，并推測軸向速度損失和子通道內的蝸旋偏移是造成傳熱弱化的可能原因。交錯葉片型定位格架的這一特性顯然不利于反應堆的安全性，在堆芯中應當避免在燃料組件末端高溫區使用。圖5給出了入口Re對換熱系數的影響。圖5中縱坐標為無量綱換熱系數，其值等于裝配有定位格架子通道的局部換熱系數與HFDVs的比值，表征了子通道內傳熱被強化的程度。從圖中可以看出，當Re從50000增大至100000時，阻流片型定位格架下游換熱系數無明顯的變化；而交錯葉片型定位格架下游則不同。當Re=100000時，定位格架下游無量綱換熱系數明顯增大，并且傳熱弱化區域所覆蓋的范圍也小于Re=50000時的情況。此現象說明了交錯葉片型定位格架在較高Re（流速）時，對子通道內局部換熱的強化作用更為明顯。

3結論

（1）阻流片型定位格格架能夠中和流動阻塞效應，強化格架下有窄縫區局部傳熱效果。（2）交錯葉片型定位格架在其下游造成漩渦流，加強子通道間的熱量及質量交換，強化局部傳熱特性。（3）漩渦流會造成軸向速度損失，可能會導致格架下游局部傳熱弱化，影響堆芯安全性。

作者：朱曉靜劉六井沈勝強單位：大連理工大學能源與動力學院中國船舶重工集團公司第719研究所