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[硕士论文] 宁爽
核科学与技术 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:在当今的世界能源格局中,核能占有非常重要的地位,但由于核能资源的特殊性,其安全性和经济性成为了新一代堆芯设计的重要研究方向。球床高温气冷堆(pebble-bed high temperature gas cooled reactor)是采用球形燃料元件的高温气冷堆。规则排列球床模块堆是燃料球以规则方式堆积的一种先进的模块式高温气冷堆设计,与随机床相比换热性能更佳,应用前景十分广阔。开展针对球床内流体流动和换热特性的研究,对球床高温气冷堆的优化和球床计算方法的完善以及其它相关研究都有重要意义。
  本文采用CFD数值模拟计算方法,使用STAR-CCM+进行建模及网格划分,再用FLUENT软件模拟本文研究了体心立方(Body Centered Cube)单通道球床结构内规则排列填充燃料球体在湍流流态下的流体单相流动和换热特性。鉴于之前研究者对BCC球床数值模拟结果的不一致性,本文通过数值模拟,考察了不同球床排列形式对BCC球床通道流态转变的影响,进一步揭露其流态转变机制。本文主要的研究工作和结果如下:
  1.采用搭桥法处理颗粒间的点接触问题,确定了合适的球床规模与桥柱直径,分析了局部流动和换热特性以及桥柱直径对其的影响。结果表明:BCC球床采用单通道模型比较合适,原因是其湍流流场的对称性会从轴对称转变成中心对称,压力梯度和Nu数均得到明显提高。流场对称性变化的位置受到Re数影响,但未受到球床轴向层数的影响。桥柱直径增加会降低BCC球床的局部压降,在其不高于0.1倍颗粒直径时不会对球床的压降和换热特性产生显著影响,建议取0.1倍颗粒直径较为合适。
  2.研究中观察到流体流态转变现象。进一步研究了网格效应、湍流模型与点接触处理方法对球床湍流流场的影响。结果表明:网格的数量与网格的形式会造成模拟结果的不一致性或多样性,BCC球床的流动中流场发生对称性变化并非普遍存在,为确保CFD模拟的可信度还需进行相关的球床实验选择合适的网格形式及数量;对比RNG k-ε与标准k-ε湍流模型下模拟的差异的研究结果表明:不同的湍流模型下,BCC球床通道内的流场会呈现不一样的状态,压降的轴向分布特性存在很大差异;对比截面法、缩径法、桥柱法下的BCC通道内流场分布的研究结果表明:不同的点接触处理法会对球床湍流流场产生影响。选用截面法与缩径法都会观察到流态转变,但选用桥柱法时随着雷诺数提高,流态转变现象消失。
  3.本文还针对规则排列球床通道内流体进行了流体流动换热的相关研究,重点研究了流场内沿程温度变化,得到了球体颗粒表面的温度分布,分析了球面温度分布的不均匀性、对比了三种不同排列形式的体心立方结构(BCC)的换热系数以及耦合换热效率,分析了流场内的换热特性并据此结果为球床通道内球体颗粒的排列方式与最佳排列尺寸提出了建议。
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