液态铅铋合金在绕丝燃料棒组件中的流动与传热机理研究
铅冷快堆以其良好的核燃料增殖及核废料处理能力作为最具发展潜能的反应堆堆型之一，其堆芯的热工水力特性是重要的研究内容。液态铅铋合金以其优良的中子性能及突出的安全性能作为铅冷快堆的冷却剂，但同时具有低普朗特数特性，导致其热物理性能与普通流体相比存在很大差异，因此探究液态铅铋合金在绕丝燃料组件内热工水力特性及流动换热规律很有必要。 本文基于铅冷快堆典型的绕丝燃料组件模型，从二次横流、冷却剂交混特征及压力损失角度对液态铅铋合金流动特性进行分析;从Nu数、冷却剂温度分布及热点现象的角度分析液态铅铋合金的换热特性。再通过改变工况条件与结构参数，对比分析冷却剂液态铅铋合金在绕丝燃料组件内流动换热规律。主要研究内容及结论如下: (1)验证数值模拟方法对液态铅铋合金流动与传热过程预测的准确性，提出适用性较好的湍流普朗特数模型及湍流模型。数值模拟结果与文献中既有实验数据的偏离程度大多保持在20％以内。以无量纲误差参数Θ的表征与前人的经验综合考量，最终选择采用可修正k-ε湍流模型与Cheng湍流普朗特数模型结合的计算方法进行后续的数值模拟计算。 (2)基于验证后的数学模型及数值方法，合理预测液态铅铋合金在绕丝燃料组件内对流换热规律及热工水力特性。对液态铅铋合金在带绕丝燃料组件的三种子通道中的多尺度涡结构、二次横流及湍流交混系数进行了流动特性分析;对子通道内及燃料棒包壳温度、Nu数进行了传热分析;所表现出来的流动传热特性均与绕丝的特有结构有关。 (3)探究操作工况和绕丝燃料组件结构参数对液态铅铋合金在绕丝燃料组件内流动换热的影响规律。液态铅铋合金入口质量流量的增加、节径比的减小以及螺距的减小均可以加强子通道间的动量交换。由此拟合出考虑子通道结构因素与流动雷诺数影响的，适用于三种不同类型子通道间的湍流交混系数计算关联式。由此温度的不均匀性发展也会受到相应影响。入口质量流量、燃料棒节径比及绕丝螺距的增加，均会使子通道间及燃料棒包壳温度降低，但同时减小了包壳温度分布的不均匀性;最终引入综合换热系数TPF评价不同工况条件及结构参数下液态铅铋合金在绕丝燃料组件通道内流动换热能力。 本文基于数值模拟方法对液态铅铋合金在绕丝燃料组件内流动换热规律及热工水力特性进行了探究，为液态铅铋合金在7棒束绕丝燃料棒组件子通道分析程序提供湍流交混系数计算模型，提供一定的理论基础及参考，研究具有一定的科学意义和实际价值。
液态铅铋合金;绕丝燃料组件;子通道分析;湍流交混效应;热点现象;核废料
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
卢涛
2021
中文
TL941
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）