流场和温度场的瞬态数值计算.docx
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1、流场和温度场的瞬态数值计算(核动力工程杂志)2014年第三期1数值计算1.1堵塞工况的模拟方法一维系统分析程序均采用等效模拟的手段计算板状燃料组件堵流事故,即先在流道入口处参加阀门控制体,然后通过改变阀门开度来模拟冷却剂中异物堵塞流道的事故工况。但是将堵流简单等效成为流量减小显然缺乏讲服力,过度简化了这一复杂问题。堵流事故大多是由固体异物随冷却剂循环流入堆芯而引发的,所以在考虑ANSYSFLUENT软件本身特性的同时,本文采用在堵塞通道中参加一个薄面的方法来进行直接模拟,即在正常工况的稳态计算时,将薄面的边界条件定义为内部面,而在开场堵流事故瞬态计算前,再将其属性改为固壁,以模拟异物堵塞在流道
2、入口的效果。相比于系统分析程序的做法,本文模拟方式的优点:不同于参加阀门控制体的间接模拟方式,这是一种直接模拟;在建模、网格剖分和计算中操作简单、容易实现;对不同堵塞程度20%、40%堵塞等和不同堵塞位置如入口,中间堵塞等的模拟,均可通过修改薄面面积和薄面所处位置来实现,具有很大灵敏性。1.2湍流模型模拟计算采用ANSYSFLUENT软件中应用广泛的Realizablek-两方程模型。其中有关湍动能k和湍动能耗散率的输运方程为。1.3边界条件假设冷却剂的总流量和堆芯总功率在堵流事故发生前后均保持不变,并且燃料板释热功率为沿冷却剂流动方向的截断余弦,其详细形式为。2数值计算结果分析2.1正常工况
3、稳态计算稳态计算所得Y+值范围是:16.26Y+176.52,其中Y+30的网格都分布在燃料板下端部。这是由于流道从窄矩形到下腔室的突扩变化,使得冷却剂在燃料板端部处具有速度损失,因而在采用全局统一的网格剖分标准后,此处计算所得的Y+值较小。但这部分区域所占比重很少,而且通过燃料板端部传导出的热量又很小,因而其对于整个计算域的影响能够忽略。在上腔室部分和流道入口处Y+值则较大,其原因与此正相反。当贴壁处应用壁面函数计算时,最为理想的方式是根据壁面每个位置冷却剂详细流动状态来进行独立的网格剖分,如此便可保证所有贴壁网格的Y+值都在30左右,计算所得的流固耦合换热量也将是最准确的。与此同时也加大了
4、网格剖分难度,并且在划分构造体网格时有可能导致其他区域网格质量下降,故需要在计算精度和速度之间进行必要的权衡。本文计算所得的Y+值知足ANSYSFLUENT12.1软件的要求表2,由此可以为对冷却剂和燃料板包壳流固耦合计算是合理的,在这个前提下,便能够开场堵塞事故瞬态计算。2.2堵流事故瞬态计算当堵流事故发生后,各流道冷却剂流量迅速发生重新分配。堵塞发生流道Channel-1因入口面积减小导致流动阻力增加,所以其内部冷却剂流量大幅度减少、流速降低。相应的,由于冷却剂总流量不变,其他2个流道Channel-2和Channel-3内的冷却剂流量增大、流速增加,并且Channel-2在遭到邻近流道堵
5、塞的影响,其内部冷却剂流量和流速的增幅要稍小于Channel-3。冷却剂流量再分配将导致燃料板包壳外外表热流量的重新分配。正常工况下,热量是从燃料板两侧包壳外外表向冷却剂中均匀传递各占约25%,燃料板端部传出的热流量则极少(约占总热流量的0.08%)。堵流事故发生后,因Channel-1内冷却剂流量降低,使其与该侧燃料板包壳外外表对流换热强度减弱,故通过这一侧面传递出的热流量开场减小。相应的,由于燃料板热功率不变,从其另一侧面传出的热流量大幅增加。而与堵塞流道不相邻的燃料板两侧包壳外外表热流量变化不大,可见堵流事故对热流量重新分配的影响主要集中在紧邻堵塞流道的燃料板上。冷却剂流量和燃料板热流量
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