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基于辐射-对流-传导热流固耦合模型的乏燃料贮运容器传热特性与优化研究

龙腾 章贵和 金刚 邓小云 孔小飞 金挺 熊光明

龙腾, 章贵和, 金刚, 邓小云, 孔小飞, 金挺, 熊光明. 基于辐射-对流-传导热流固耦合模型的乏燃料贮运容器传热特性与优化研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 57-63. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0057
引用本文: 龙腾, 章贵和, 金刚, 邓小云, 孔小飞, 金挺, 熊光明. 基于辐射-对流-传导热流固耦合模型的乏燃料贮运容器传热特性与优化研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 57-63. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0057
Long Teng, Zhang Guihe, Jin Gang, Deng Xiaoyun, Kong Xiaofei, Jin Ting, Xiong Guangming. Study on Heat Transfer Characteristics and Optimization of Spent Fuel Storage and Transportation Containers Based on Heat-Fluid-Solid Coupled Model for Radiation, Convection and Conduction[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(5): 57-63. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0057
Citation: Long Teng, Zhang Guihe, Jin Gang, Deng Xiaoyun, Kong Xiaofei, Jin Ting, Xiong Guangming. Study on Heat Transfer Characteristics and Optimization of Spent Fuel Storage and Transportation Containers Based on Heat-Fluid-Solid Coupled Model for Radiation, Convection and Conduction[J]. Nuclear Power Engineering, 2021, 42(5): 57-63. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0057

基于辐射-对流-传导热流固耦合模型的乏燃料贮运容器传热特性与优化研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0057
详细信息
    作者简介:

    龙 腾(1991—),男,硕士,现主要从事核岛设备力学分析方面的研究工作,E-mail: longyiteng123@126.com

    通讯作者:

    金 刚,E-mail: jingang@chinansc.cn

  • 中图分类号: TL334

Study on Heat Transfer Characteristics and Optimization of Spent Fuel Storage and Transportation Containers Based on Heat-Fluid-Solid Coupled Model for Radiation, Convection and Conduction

  • 摘要: 基于辐射-对流-传导的热流固耦合计算流体动力学(CFD)模型,对比不同放置状态、环境温度、容器内部填充介质和有无环形翅片情况下,各部件最高温度、自然对流流速、外表面辐射及对流功率的变化。结果表明,水平放置有利于强化环形翅片的对流传热;环境温度每升高10℃,燃料包壳温度增加6.5℃,外壁面温度增加8.3℃;燃料篮内部填充物由中子吸收板或铝块更换为氦气后,容器整体导热性能明显降低,容器内部温度升高,但容器壁面温度基本不变;如不考虑太阳暴晒,环形翅片可增加对流传热,使得容器整体温度降低;如考虑太阳暴晒,环形翅片会增加太阳暴晒能量的吸收,使容器整体温度反而比光滑壁面容器高;基于代数分析法和漫灰表面模型对CFD辐射模型进行验证,CFD辐射功率和公式法计算结果基本一致。

     

  • 图  1  1/4简化模型及边界条件

    Figure  1.  Simplified 1/4 Model and Boundary Conditions

    图  2  各部件最高温度随环境温度变化规律

    Figure  2.  Variation of Maximum Temperature of Components with Ambient Temperature

    表  1  燃料组件等效导热率与当地温度的关系[5]

    Table  1.   Relationship between Equivalent Thermal Conductivity of Fuel Assembly and Local Temperature

    方向当地温度/℃导热率/[W·(m·K)−1]
    轴向 93 0.946
    149 0.998
    204 1.050
    316 1.137
    427 1.233
    径向 81 0.347
    181 0.477
    283 0.671
    388 0.922
    599 1.480
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    表  2  不同放置方式的传热特性

    Table  2.   Heat Transfer Characteristics under Different Storage Modes

    放置方式竖直水平
    燃料包壳最高温度/K490.98484.50
    中子屏蔽棒最高温度/K409.68407.03
    侧表面最高温度/K393.53392.94
    顶面最高温度/K369.46373.80
    总辐射功率/W1186711235
    总对流功率/W70537686
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    表  3  不同燃料篮内部填充方式下传热特性

    Table  3.   Heat Transfer Characteristics under Different Filling Modes of Fuel Basket

    格架填充物基准填充方式备选方案1备选方案2
    燃料包壳最高温度/K490.98596.37617.80
    中子屏蔽棒最高温度/K409.68409.37417.97
    侧表面最高温度/K393.53393.69402.99
    顶面最高温度/K369.46369.27370.98
    辐射功率/W118671186811506
    对流功率/W705470466839
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    表  4  无暴晒下翅片对传热特性的影响

    Table  4.   Influence of Fins on Heat Transfer Characteristics without Solar Radiation

    有无环形翅片有环形翅片无环形翅片
    燃料包壳最高温度/K475.72479.07
    中子屏蔽棒最高温度/K390.16397.61
    侧表面最高温度/K374.21382.72
    顶面最高温度/K349.25352.40
    辐射功率/W80628498
    对流功率/W46454196
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    表  5  有暴晒下翅片对传热特性的影响

    Table  5.   Influence of Fins on Heat Transfer Characteristics with Solar Radiation

    有无环形翅片有环形翅片无环形翅片
    燃料包壳最高温度/K490.98488.13
    中子屏蔽棒最高温度/K409.68408.93
    侧表面最高温度/K393.56393.53
    顶面最高温度/K369.46368.54
    辐射功率/W1186710714
    对流功率/W1892016202
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    表  6  辐射验证工况

    Table  6.   Radiation Verification Conditions

    工况序号暴晒环境温度/℃环形翅片
    138
    220
    330
    450
    560
    638
    738
    838
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    表  7  有无暴晒下光滑壁面和带翅片壁面的辐射模型验证

    Table  7.   Verification of Radiation Models for Smooth Wall and Finned Wall with and without Solar Radiation

    工况F1→3Q1+2→3/WCFD结果/W相对误差/%
    10.5311105103177.64
    20.53976191117.13
    30.5310748100057.42
    40.5311737108678.01
    50.5312163112208.40
    60.5375738062−6.07
    70.9278028499−8.20
    80.92984510714−8.11
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-05
  • 修回日期:  2020-10-26
  • 刊出日期:  2021-09-30

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