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环形螺旋十字燃料元件流动与换热特性的数值模拟分析

何兴 程杰 吴迪 赵文斌 王建军

何兴, 程杰, 吴迪, 赵文斌, 王建军. 环形螺旋十字燃料元件流动与换热特性的数值模拟分析[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 107-115. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0107
引用本文: 何兴, 程杰, 吴迪, 赵文斌, 王建军. 环形螺旋十字燃料元件流动与换热特性的数值模拟分析[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 107-115. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0107
He Xing, Cheng Jie, Wu Di, Zhao Wenbin, Wang Jianjun. Numerical Simulation and Analysis of Flow and Heat Transfer Characteristics in Annular Helical Cruciform Fuel Elements[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 107-115. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0107
Citation: He Xing, Cheng Jie, Wu Di, Zhao Wenbin, Wang Jianjun. Numerical Simulation and Analysis of Flow and Heat Transfer Characteristics in Annular Helical Cruciform Fuel Elements[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 107-115. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0107

环形螺旋十字燃料元件流动与换热特性的数值模拟分析

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0107
基金项目: 国家自然科学基金(12105065);黑龙江省自然科学基金(LH2023A009)
详细信息
    作者简介:

    何 兴(1999—),男,博士研究生,现主要从事核反应堆热工水力等方面研究,E-mail: 1421173092@qq.com

    通讯作者:

    程 杰,E-mail: jcheng@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Numerical Simulation and Analysis of Flow and Heat Transfer Characteristics in Annular Helical Cruciform Fuel Elements

  • 摘要: 螺旋十字燃料作为一种较为新型的燃料元件,由于其独特的强搅混作用和自支撑等优点而受到广泛关注,但是仍存在中心温度偏高等问题。为解决相关问题,本文提出一种环形螺旋十字燃料,并采用数值模拟的方法研究其内部的流动与换热特性。结果表明,功率计算采用余弦分布的方法会存在轴向功率梯度太大等问题,也会导致计算得到的燃料元件最高温度比实际情况下偏高。此外,相比于螺旋十字燃料,环形螺旋十字燃料具有更强的搅混作用和更低的燃料元件最高温度;并且,入口速度的增加可以进一步加强冷却剂之间的搅混作用从而增强换热能力,但入口温度以及功率密度对搅混作用的影响较小。在燃料元件温度分布方面,环形螺旋十字燃料元件在不同高度处的最高温度位置会受到冷却剂横向速度大小的影响,在冷却剂横向速度大的位置,对燃料元件的换热更强,因此此处的燃料元件温度更低。

     

  • 图  1  螺旋十字燃料元件模型

    Figure  1.  Helical Cruciform Fuel Model

    图  2  环形螺旋十字燃料元件模型示意图

    Figure  2.  Annular Helical Cruciform Fuel Element Model

    图  3  燃料组件横截面示意图

    Figure  3.  Cross Section Diagram of Fuel Assembly

    图  4  栅元结构示意图

    Figure  4.  Schematic Diagram of Grid Cell Structure

    图  5  生成的网格结构

    Figure  5.  The Generated Mesh Structure

    图  6  网格无关性验证

    Figure  6.  Grid Independence Verification

    图  7  燃料元件不同轴向位置功率分布

    Figure  7.  Power Distribution of Different Axial Positions of Fuel Elements

    图  8  不同功率分布下燃料元件最高温度

    Figure  8.  Maximum Temperature of Fuel Element Under Different Power Distributions

    图  9  MCNP中建立的环形螺旋十字燃料模型

    Figure  9.  Annular Helical Cruciform Fuel Element Model in MCNP

    图  10  有效增殖因数与水铀比的关系

    keff—有效增殖因数;$V_{{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}} $/VU—水铀比,表示慢化剂和燃料的体积比

    Figure  10.  Relationship Between the keff and the Water-to-Uranium Ratio

    图  11  环形螺旋十字燃料冷却剂与燃料表面温度

    Figure  11.  Coolant and Fuel Surface Temperature of Annular Helical Cruciform Fuel Element

    图  12  燃料结构对温度分布的影响

    Figure  12.  Influence of Fuel Structure on Temperature Distribution

    图  13  燃料元件温度分布

    Figure  13.  Temperature Distribution of Fuel Element

    图  14  不同入口速度和功率密度对平均二次流的影响

    Figure  14.  Impact of Different Inlet Velocities and Power Densities on Secondary Flow

    图  15  不同入口温度对平均二次流的影响

    Figure  15.  Impact of Different Inlet Temperatures on Secondary Flow

    图  16  不同条件下的燃料沿程平均对流换热系数

    h—平均对流换热系数

    Figure  16.  Average Convective Heat Transfer Coefficient Under Different Conditions

    图  17  不同入口速度下轴向冷却剂温度

    Figure  17.  Axial Coolant Temperature at Different Inlet Velocities

    图  18  不同条件下冷却剂温度分布

    Figure  18.  Coolant Temperature Distribution under Different Conditions

    图  19  不同位置处燃料元件冷却剂横向速度分布和燃料截面温度分布

    Figure  19.  Transverse Velocity Distribution of Coolant and Temperature Distribution of Fuel Cross-section at Different Locations

    图  20  燃料元件最高温度

    Figure  20.  Maximum Temperature of Fuel Element

    表  1  环形螺旋十字燃料元件结构参数

    Table  1.   Structural Parameters of Annular Helical Cruciform Fuel Element

    参数螺旋十字燃料元件环形螺旋十字燃料元件
    轴向长度/m0.50.5
    RE/mm31.51(外),3.74(内)
    r/mm2.1573.65(外),1.42(内)
    L/mm0.0440.044
    螺距/cm100100
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    表  2  冷却剂和燃料元件热物性参数

    Table  2.   Thermal Properties of Coolant and Fuel Element

    物理量 冷却剂 燃料元件
    密度
    ρ/(kg∙m−3)
    ρ=−3694+17.547T−0.01716T2 5212
    定压比热容
    cp/(J∙kg−1∙K−1)
    cp=−3.58×106+18905.8T−33.3T2+0.01955T3 871
    导热系数
    λ/(W∙m−1∙K−1)
    λ=−1.66482+0.00939T−9.6×10−6T2 60
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-08
  • 修回日期:  2024-05-09
  • 刊出日期:  2025-02-15

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