正方形排列棒束通道間湍流交混系數(shù)計(jì)算研究

蔡容　習(xí)蒙蒙　米爭鵬　方紅宇　邱志方

【摘 要】湍流交混是冷卻劑通道間橫向交混的重要組成部分，準(zhǔn)確地模擬湍流交混是子通道分析的關(guān)鍵之一。本研究利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件開展正方形排列棒束通道間湍流交混數(shù)值模擬。通過對(duì)不同節(jié)徑比和雷諾數(shù)條件下通道間湍流交混的模擬，獲得相應(yīng)條件下的湍流交混系數(shù)?；谌舾傻耐牧鹘换煜禂?shù)點(diǎn)，擬合新的湍流交混關(guān)系式，該關(guān)系式可用于正方形排列棒束堆芯的子通道分析。

【關(guān)鍵詞】子通道;湍流交混;數(shù)值模擬;棒束通道

中圖分類號(hào)： TL352文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）26-0180-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.088

0 前言

輕水反應(yīng)堆如壓水堆和沸水堆堆芯設(shè)計(jì)通常采用棒束燃料組件，燃料棒采用正方形排列。為了獲得反應(yīng)堆堆芯三維熱工水力特性，通常對(duì)反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行子通道分析。在反應(yīng)堆堆芯燃料組件中，相鄰子通道間冷卻劑在流動(dòng)過程中存在著橫向動(dòng)量、質(zhì)量和能量的交換。這種橫向交換效應(yīng)即橫向交混是子通道分析中最關(guān)切的問題之一。湍流交混是冷卻劑通道間橫向交混的重要組成部分，是由于流體脈動(dòng)時(shí)自然渦團(tuán)擴(kuò)散引起的非定向交混。湍流交混的強(qiáng)弱程度將影響通道的局部熱工參數(shù)，從而影響臨界熱流密度的預(yù)測(cè)，因此，準(zhǔn)確地模擬湍流交混是子通道分析的關(guān)鍵之一。

1 湍流交混系數(shù)

湍流交混本質(zhì)上是子通道間流體脈動(dòng)時(shí)自然渦團(tuán)擴(kuò)散引起的非定向交混，屬于自然交混。交混過程中一般無凈質(zhì)量轉(zhuǎn)移，但有動(dòng)量和能量轉(zhuǎn)移。子通道之間的湍流交混[1]一般用湍流交混率w'ij表征，它表示兩個(gè)相鄰子通道之間在主流方向單位長度上由于湍流交混引起的質(zhì)量流量。假定湍流交混率正比于間隙寬度和相鄰?fù)ǖ垒S向質(zhì)量流速的平均值：

本研究通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)正方形排列棒束通道（兩個(gè)相鄰?fù)ǖ溃┻M(jìn)行模擬計(jì)算，獲得相鄰?fù)ǖ篱g橫向脈動(dòng)流速和通道主流流速，從而確定正方形排列棒束通道間湍流交混系數(shù)。

2 湍流交混數(shù)值模擬

利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件開展棒束間湍流交混數(shù)值模擬，本研究采用CFX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。利用Pro/ENGINEER軟件建立了不同節(jié)徑比的正方形排列棒束通道的幾何模型，如圖1所示。

為了對(duì)棒束通道內(nèi)水的流動(dòng)與傳熱問題進(jìn)行精確的數(shù)值計(jì)算，需要對(duì)所求計(jì)算域進(jìn)行區(qū)域離散化，即網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格是非常重要的一步，幾何模型的網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接著影響后續(xù)求解過程的收斂性和精度。圖2為正方形排列棒束通道網(wǎng)格劃分。

一般而言，對(duì)于確定的某一模型，相對(duì)稀疏的網(wǎng)格劃分可以減少計(jì)算時(shí)間和資源占用，但是會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果與真實(shí)值偏離較大;而相對(duì)緊湊的網(wǎng)格劃分雖然能讓計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值更加接近，但是會(huì)增加計(jì)算時(shí)間成本。因此，選擇合適的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)就必須從計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度兩方面綜合考慮。本研究構(gòu)建了四套正方形排列棒束通道網(wǎng)格，通過敏感性分析，選擇第三套網(wǎng)格方案（700W）作為最終模擬計(jì)算的網(wǎng)格劃分方案。

CFX軟件中湍流模型包括k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ε模型、SSG雷諾應(yīng)力模型等。在比較了不同湍流模型的模擬情況和原理的前提下，本研究選擇了對(duì)于交混現(xiàn)象模擬較好的SSG雷諾應(yīng)力模型作為湍流模型。利用CFX軟件對(duì)正方形排列棒束通道間湍流交混進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得其通道內(nèi)流場(chǎng)等信息。圖3為正方形排列棒束通道內(nèi)流場(chǎng)分布。

3 湍流交混系數(shù)計(jì)算分析

目前研究表明，湍流交混系數(shù)與通道形狀、雷諾數(shù)Re、子通道水力直徑Dh、相鄰子通道間寬度s以及燃料棒直徑d等相關(guān)。本研究對(duì)不同節(jié)徑比（棒束節(jié)距與燃料棒直徑比值）和雷諾數(shù)（改變進(jìn)口流速）下湍流交混進(jìn)行模擬，獲得其相應(yīng)條件下的湍流交混系數(shù)。

基于不同條件下的湍流交混系數(shù)，通過曲線擬合獲得正方形排列棒束通道間的湍流交混系數(shù)關(guān)系式，具體關(guān)系式如下：

圖4為不同節(jié)徑比和雷諾數(shù)下湍流交混系數(shù)點(diǎn)和擬合曲線。

4 結(jié)論

本研究利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX開展正方形排列棒束通道間湍流交混數(shù)值模擬。通過網(wǎng)格劃分敏感性分析和湍流模型的選擇，確定了一套正方形排列棒束通道內(nèi)湍流交混模擬的方案。對(duì)不同節(jié)徑比和雷諾數(shù)條件下通道間湍流交混的模擬，獲得相應(yīng)條件下的湍流交混系數(shù)?；谌舾傻耐牧鹘换煜禂?shù)點(diǎn)，擬合新的湍流交混關(guān)系式，該關(guān)系式可用于正方形排列棒束堆芯的子通道分析。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉余，杜思佳，李仲春.子通道分析中的湍流交混研究綜述[J].核動(dòng)力工程，2017，38（03）：132-136.

[2]Cheng X， Tak N I. CFD analysis of thermal-hydraulic behavior of heavy liquid metals in sub-channels[J].Nuclear Engineering and Design， 2006， 236（18）：1874-1885.