1、文章编号：0258-0926(2023)02-0037-06;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0037定位绕丝结构对棒束通道热工水力特性影响数值分析刘思超1，刘余2，田瑞峰1*，杨小磊2，陈曦2，李小畅31.哈尔滨工程大学核科学与技术学院，哈尔滨，150001；2.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610213；3.哈尔滨工程大学航天与建筑学院，哈尔滨，150001摘要：定位绕丝设计广泛应用于金属快堆堆芯设计及气冷快堆堆芯设计中，本文基于三维精细化绕丝定位棒束通道网格模型模拟分析了定位绕丝螺距、定位绕丝数量及定位绕丝形状对超临界二氧化碳在棒束通道
2、中流动换热的影响。模拟结果表明定位绕丝螺距比定位绕丝数量及定位绕丝形状对温场流场的影响更大，定位绕丝螺距小于 200 mm 时，进出口压降大幅增加，表面换热系数增加，温度不均匀度大幅降低；随着定位绕丝数量增加，进出口压降线性增加，表面换热系数变化不大；圆形定位绕丝可以以较小截面积达到与方形定位绕丝相似的效果，梯形定位绕丝对流场影响不如矩形定位绕丝。关键词：超临界二氧化碳；绕丝定位棒束通道；定位绕丝结构参数；数值模拟中图分类号：TL33文献标志码：ANumerical Analysis of Influence of Positioning and WrappingWire Structure
3、on Thermohydraulic Characteristics of RodBundle ChannelLiu Sichao1,Liu Yu2,Tian Ruifeng1*,Yang Xiaolei2,Chen Xi2,Li Xiaochang31.College of Nuclear Science and Technology,Harbin Engineering University,Harbin,150001,China;2.Science and Technology onReactor System Design Technology Laboratory,Nuclear P
4、ower Institute of China,Chengdu,610213,China;3.College of Aerospace andCivil Engineering,Harbin Engineering University,Harbin,150001,ChinaAbstract:The positioning and wrapping wire design is widely applied in the core design ofmetal cooled fast reactor and gas cooled fast reactor.In this paper,the e
5、ffects of pitch,number andshape of positioning and wrapping wires on the flow and heat transfer of supercritical carbondioxide in rod bundle channel are simulated and analyzed based on three-dimensional fine meshmodel of wrapping wire positioning rod bundle channel.The simulation results show thatpo
6、sitioning and wrapping wire pitch has a greater influence on the temperature field and flow fieldthan the positioning and wrapping wire number and shape.When the positioning and wrapping wirepitch is less than 200 mm,pressure drop at the inlet and outlet increases significantly,surface heattransfer
7、coefficient increases,and temperature non-uniformity decreases significantly and thetemperature unevenness decreases greatly;with the increase in the number of the positioning andwrapping wires,pressure drop at the inlet and outlet increases linearly,but the surface heat transfercoefficient changes
8、little;circular positioning and wrapping wire can achieve a similar effect to thatof rectangular positioning and wrapping wire with a smaller cross-sectional area,and trapezoidalpositioning and wrapping wire has less influence on flow field than rectangular positioning and 收稿日期：2022-06-16；修回日期：2022-
9、08-21基金项目：国家自然科学基金项目（11805044）作者简介：刘思超（1997），男，博士研究生，现主要从事反应堆热工水力方面的研究，E-mail:*通讯作者：田瑞峰，Email: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023wrapping wire.Key words:Supercritical carbon dioxide,Wrapping wire positioning rod bundle channel,Structural parameters of posit
10、ioning and wrapping wire,Numerical simulation 0 引言使用定位绕丝代替定位格架用于反应堆堆芯燃料棒束定位是一种强化换热的新型设计，其广泛应用于铅冷快堆堆芯设计、钠冷快堆堆芯设计、熔盐堆堆芯设计及部分气冷堆设计中。定位绕丝不仅可以在棒束通道径向产生持续的旋流，有效增强子通道间的换热能力，还能实现燃料棒束间的自支撑，减弱流动不稳定性及棒束微动磨损。很多学者已经对各种流体在绕丝定位棒束通道内流动换热情况进行了研究。加拿大的 AhmadEter 等人1开展了超临界二氧化碳在带绕丝三棒束通道换热的实验研究。李明刚等人2研究了四根绕丝定位 19 根棒束通道流动
11、换热特性。臧金光等人3进行了 22 绕丝定位棒束超临界水实验研究。王心安等人4、从腾龙等人5、李虹锐等人6、王顺琪等人7、Merzari 等人8、Shams 等人9使用贴体网格进行了不同规模绕丝定位棒束通道数值模拟研究。现有文章多研究铅冷快堆、钠冷快堆或超临界水堆内特定堆芯结构内的热工水力现象或某一种结构参数对流场的影响，对于定位绕丝螺距、数量、形状的改变对关键热工参数的影响尚有待研究。本文基于三维精细化绕丝定位棒束通道网格模型模拟分析了定位绕丝螺距、定位绕丝数量及定位绕丝形状对超临界二氧化碳流动换热的影响，为气冷堆热工水力准则设计提供参考。1 模型及网格敏感性分析 1.1 模型敏感性分析本文
12、使用 Ahmad Eter 等人1的超临界二氧化碳在绕丝定位燃料棒束通道内流动换热实验数据进行模型适应性研究。其实验装置结构尺寸如下所示：共有 3 根实验加热管，每根实验加热管外径 10 mm，内径 8 mm，棒间距 11.4 mm，流道内径 25.4 mm，流道外径 35.4 mm。实验加热管总长 1500 mm，前 200 mm 所加定位绕丝螺距为100 mm；后1300 mm 所加定位绕丝螺距为200 mm。拟进行数值模拟的实验工况如下所示：系统压力为8.56 MPa，流体入口温度为10.9，流体入口质量流速为 1175 kg/(m2s)，燃料棒表面热流密度为 124.4 kW/m2。温
13、度测量点选取在面向 3 根实验加热管束组件中心的周向位置，以测量壁温的轴向变化。使用不同湍流模型对实验壁温数据进行验证，如图 1 所示。RNG k-模型计算出的壁温与实验值的方差为 24.34；Realizable k-模型计算出的壁温与实验值的方差为 22.04；SST k-模型计算出的壁温与实验值的方差为 7.62。综上所述，使用低雷诺数壁面处理方法的 SST k-模型计算出的结果与壁温实验值拟合效果较好，只有近壁面网格较密时才可以追踪到壁温变化。图 1 不同湍流模型计算壁温Fig.1 Wall Temperature Calculated by DifferentTurbulence M
14、odels 使用低雷诺数壁面处理方法的 SST k-模型要求在网格划分时保证近壁面 y+值（y+值表示湍流情况下垂直壁面方向的无量纲距离）不大于 1。在进行网格划分时使用 y+计算器计算出边界层第一层网格高度为 0.0013 mm，以此为基础生成边界层完成计算。截取面平均近壁面 y+值沿轴向变化见图 2，可以看到由于入口效应影响，在棒束通道前端近壁面 y+值急剧增加至 1.02 左右，后迅速下降至 0.9，之后近壁面 y+值在 0.91 之间波动，整体满足低雷诺数壁面处理方法的要求。通过对其他实验工况的模拟，发现上述结论38核 动 力 工 程Vol.44 No.2 2023 对任意工况具有普适
15、性。1.2 网格敏感性分析在对湍流模型进行敏感性分析从而选出最适合绕丝定位棒束通道超临界二氧化碳流动的湍流模型后，针对绕丝定位棒束通道进行网格数量敏感性分析，结果如图 3 所示。通过控制线网格节点距离来控制面网格疏密程度进而实现对体网格数量的控制。共划分 5 套网格，取棒束通道中截面（轴向高度 650 mm）处流体平均温度为判断标准，可以看出当网格数量增加到 1200 万左右时，继续增加网格数量，中截面处流体平均温度变化小于 1%，判断计算结果与网格数量无关。因此，针对绕丝定位棒束通道的模拟使用网格数量为 12746852 的线网格节点尺寸及网格设置。图 3 网格无关性验证结果Fig.3 Re
16、sults of Mesh Independence Verification 2 定位绕丝结构参数影响分析 2.1 定位绕丝螺距对流动换热的影响19 根棒束呈三角形排列，每根燃料棒直径为 7 mm，长度为 1300 mm，棒间距为 8 mm。19 根棒束放置于六棱柱燃料组件中，组件对边距为 40.6 mm，组件长 1300 mm。只改变定位绕丝螺距，研究定位绕丝螺距对超临界二氧化碳在棒束通道内流动换热的影响。模拟工况如下：系统压力为 15 MPa，流体入口温度为 320，流体入口质量流量为 0.682kg/s，燃料棒表面热流密度为 0.2 MW/m2。根据图 1 的研究成果，湍流模型使用 SST k-模型，近壁面处理方法使用低雷诺数方法，在整体计算过程中未出现回流现象。本文在数值模拟时使用的二氧化碳物性根据美国国家标准与技术研究院（NIST）数据库查得，并将查到的压力为 15 MPa、温度为 320500 的二氧化碳物性数据分 50 个数据点使用线性插值的方法对 Fluent 中材料物性进行定义。棒束通道内部子通道分类如图 4 所示，主要分为内部通道、边通道以及角通道。图 4 子通道
