正方形排列棒束通道間湍流交混系數計算研究

蔡容　習蒙蒙　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，準確地模擬湍流交混是子通道分析的關鍵之一。本研究利用計算流體動力學軟件開展正方形排列棒束通道間湍流交混數值模擬。通過對不同節徑比和雷諾數條件下通道間湍流交混的模擬，獲得相應條件下的湍流交混系數。基于若干的湍流交混系數點，擬合新的湍流交混關系式，該關系式可用于正方形排列棒束堆芯的子通道分析。

【關鍵詞】子通道;湍流交混;數值模擬;棒束通道

中圖分類號： TL352文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）26-0180-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.088

0 前言

輕水反應堆如壓水堆和沸水堆堆芯設計通常采用棒束燃料組件，燃料棒采用正方形排列。為了獲得反應堆堆芯三維熱工水力特性，通常對反應堆堆芯進行子通道分析。在反應堆堆芯燃料組件中，相鄰子通道間冷卻劑在流動過程中存在著橫向動量、質量和能量的交換。這種橫向交換效應即橫向交混是子通道分析中最關切的問題之一。湍流交混是冷卻劑通道間橫向交混的重要組成部分，是由于流體脈動時自然渦團擴散引起的非定向交混。湍流交混的強弱程度將影響通道的局部熱工參數，從而影響臨界熱流密度的預測，因此，準確地模擬湍流交混是子通道分析的關鍵之一。

1 湍流交混系數

湍流交混本質上是子通道間流體脈動時自然渦團擴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量轉移，但有動量和能量轉移。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量流量。假定湍流交混率正比于間隙寬度和相鄰通道軸向質量流速的平均值：

本研究通過計算流體動力學軟件對正方形排列棒束通道（兩個相鄰通道）進行模擬計算，獲得相鄰通道間橫向脈動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。

2 湍流交混數值模擬

利用計算流體動力學軟件開展棒束間湍流交混數值模擬，本研究采用CFX軟件進行數值模擬計算。利用Pro/ENGINEER軟件建立了不同節徑比的正方形排列棒束通道的幾何模型，如圖1所示。

為了對棒束通道內水的流動與傳熱問題進行精確的數值計算，需要對所求計算域進行區域離散化，即網格劃分。劃分網格是非常重要的一步，幾何模型的網格質量的好壞直接著影響后續求解過程的收斂性和精度。圖2為正方形排列棒束通道網格劃分。

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

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，本研究選擇了對于交混現象模擬較好的SSG雷諾應力模型作為湍流模型。利用CFX軟件對正方形排列棒束通道間湍流交混進行數值模擬，獲得其通道內流場等信息。圖3為正方形排列棒束通道內流場分布。

3 湍流交混系數計算分析

目前研究表明，湍流交混系數與通道形狀、雷諾數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。本研究對不同節徑比（棒束節距與燃料棒直徑比值）和雷諾數（改變進口流速）下湍流交混進行模擬，獲得其相應條件下的湍流交混系數。

基于不同條件下的湍流交混系數，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關系式，具體關系式如下：

圖4為不同節徑比和雷諾數下湍流交混系數點和擬合曲線。

4 結論

本研究利用計算流體動力學軟件CFX開展正方形排列棒束通道間湍流交混數值模擬。通過網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湍流交混模擬的方案。對不同節徑比和雷諾數條件下通道間湍流交混的模擬，獲得相應條件下的湍流交混系數。基于若干的湍流交混系數點，擬合新的湍流交混關系式，該關系式可用于正方形排列棒束堆芯的子通道分析。

【參考文獻】

[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.