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摇摆下含花瓣形棒束通道自然循环系统单相流动换热特性
| 论文题名： | 摇摆下含花瓣形棒束通道自然循环系统单相流动换热特性 |
| 关键词： | 海基核动力装置;花瓣形棒束通道;流场变化;换热特性;自然循环流动;摇摆运动 |
| 摘要： | 核能是一种绿色、高效的能源，能有效推动我国“双碳”目标的实现。随着核能技术的日益成熟，核动力装置逐渐向小型一体化方向发展。将反应堆与船舶工程有机结合而建立的海基核动力装置，能为我国“海洋强国战略”目标的推进及实施提供强有力保障。花瓣形燃料棒具有比表面积大、搅混能力强等显著优势，能满足海基核动力装置高功率密度和长换料周期的需求，应用前景广阔。为获得海洋条件下摇摆运动，以及事故工况下自然循环流动对花瓣形棒束通道内流动与换热特性的影响，本文对含3×3方形排列棒束通道的自然循环系统开展了多尺度耦合模拟研究。相关研究结论可为花瓣形燃料元件在海基核动力装置的应用提供理论指导。 本文首先建立了摇摆条件下一维程序与三维STAR-CCM+软件的多尺度耦合数值模型，并结合相关实验数据完成了模型验证。结果表明：耦合模拟计算得到的棒束通道内速度和压降结果与实验值吻合较好，相对误差集中在2%以内。 其次，研究了不同高度、不同摇摆时刻下棒束通道局部流场变化规律，分析了摇摆参数对摇摆启动特性的影响，深入探究了不同摇摆条件下不同运行工况棒束通道内流动阻力特性。结果表明：摇摆条件下，受附加惯性力影响，轴向流速和二次流强度非对称分布；摇摆启动阶段，启动方向与流动方向相同时，流体惯性导致流量从某一稳定值陡降；加热功率和入口温度升高，会使冷热段密度差增加，循环驱动力增大，自然循环流量和阻力压降时均值升高，波动幅度减小；摇摆角度增大和摇摆周期减小会增大附加惯性力和有效高差变化范围，导致循环流量和阻力压降波动幅度增大，当摇摆周期从30s到20s时，流量波动幅度161.83%，摇摆角度从10°到20°，流量波动幅度增加105.79%。 最后，研究了不同摇摆条件下棒束通道换热特性。研究表明：随摇摆姿态不同，垂直于摇摆轴方向上轴向流速和横向二次流改变，导致截面温度峰值明显变化；增加摇摆角度或减小摇摆周期均会导致温度波动幅度增加；平均换热系数波动幅度随摇摆角度增加而增加，摇摆角度对不同燃料棒子通道局部换热系数影响不同，中心棒周围子通道流速波动幅度更大，换热系数波动幅度达 108.34%。通过考虑加速度雷诺数，获得了适用于花瓣形燃料棒束通道摇摆自然循环条件的努塞尔数关联式。考虑摇摆周期和摇摆角度的影响，得到了启动阶段努塞尔数关联式。 |
| 作者： | 曹今毅 |
| 专业： | 能源动力 |
| 导师： | 蔡伟华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东北电力大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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