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基于热-流-固耦合的燃料元件性能分析方法研究

黄永忠 李权 李垣明 庞华 路怀玉 刘振海 齐飞鹏

黄永忠, 李权, 李垣明, 庞华, 路怀玉, 刘振海, 齐飞鹏. 基于热-流-固耦合的燃料元件性能分析方法研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(4): 112-118. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.04.0112
引用本文: 黄永忠, 李权, 李垣明, 庞华, 路怀玉, 刘振海, 齐飞鹏. 基于热-流-固耦合的燃料元件性能分析方法研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(4): 112-118. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.04.0112
Huang Yongzhong, Li Quan, Li Yuanming, Pang Hua, Lu Huaiyu, Liu Zhenhai, Qi Feipeng. Research on Analysis Method for Performance of Fuel Element Based on Thermal-Fluid-Solid Coupling[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(4): 112-118. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.04.0112
Citation: Huang Yongzhong, Li Quan, Li Yuanming, Pang Hua, Lu Huaiyu, Liu Zhenhai, Qi Feipeng. Research on Analysis Method for Performance of Fuel Element Based on Thermal-Fluid-Solid Coupling[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(4): 112-118. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.04.0112

基于热-流-固耦合的燃料元件性能分析方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.04.0112
详细信息
    作者简介:

    黄永忠(1993—),男,工程师,现从事核燃料研发与性能分析研究,E-mail: thuhyz10@126.com

  • 中图分类号: TL352

Research on Analysis Method for Performance of Fuel Element Based on Thermal-Fluid-Solid Coupling

  • 摘要: 中空棱柱形燃料元件形式和运行工况特殊,没有现成的燃料性能分析软件能够满足计算要求,需要建立新的分析方法。本研究基于COMSOL软件二次开发,采用颗粒增强复合材料的等效物性模型和共轭传热技术实现中空六棱柱形燃料的三维热-流-固耦合计算,通过与美国通用电气公司数据的对比证明了该分析方法的有效性。采用该方法计算了多种燃料元件尺寸和不同轴向功率分布下的热应力和温度,结果表明侧棱处温度最高而内壁面壁厚最薄处热应力最大,壁厚越薄、长度越长,燃料元件的最大热应力和温度越小,展平入口段的轴向功率分布也能够略微降低最大热应力和温度。以上分析方法可以用于新型中空棱柱形燃料元件的优化设计。

     

  • 图  1  热-流-固耦合分析有限元模型示意图

    Figure  1.  FEM Model for Fluid-Thermal-Solid Coupling Analysis     

    图  2  归一化轴向功率分布

    Figure  2.  Normalized Power Distribution in Axial Direction

    图  3  计算网格

    Figure  3.  Meshes for Calculation

    图  4  随网格加密的等效应力和温度分布图

    Figure  4.  Comparison of MISES Stress Distributions and Temperature Distributions under Different Meshes

    图  5  温度计算结果对比图

    Figure  5.  Comparison of Calculated Temperatures and References Results

    图  6  等效应力计算结果对比图

    Figure  6.  Comparison of Calculated MISES Stresses and References Results

    图  7  等效应力和温度分布图

    Figure  7.  Distributions of Calculated MISES Stress and Temperature

    图  8  燃料元件截面上的等效应力和温度分布图

    Figure  8.  Distributions of Calculated MISES Stress and Temperature on Cross-Section

    图  9  侧棱和内壁面温度沿轴向高度分布图

    Figure  9.  Comparison of Temperature Distributions at Side Edge and Inner Wall

    图  10  第一主应力分布图

    Figure  10.  Distribution of Calculated First Main Stress

    图  11  不同几何因子对应的最大等效应力和最高温度

    Figure  11.  Comparison of Maximum MISES Stresses and Temperatures under Different Geometrical Factors

    图  12  不同燃料元件长度对应的最大等效应力和最高温度

    Figure  12.  Comparison of Maximum MISES Stresses and Temperatures under Different Lengths of Fuel Element

    图  13  2种轴向功率分布示意图

    Figure  13.  Comparison of Two Power Distributions in Axial Direction

    图  14  不同轴向功率分布下的等效应力和温度分布图

    Figure  14.  Comparison of Calculated MISES Stresses and Temperatures under Different Power Distribution

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-18
  • 修回日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2021-08-15

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