正方形排列棒束通道间湍流交混系数计算研究

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【摘 要】湍流交混是冷卻剂通道间横向交混的重要组成部分，准确地模拟湍流交混是子通道分析的关键之一。本研究利用计算流体动力学软件开展正方形排列棒束通道间湍流交混数值模拟。通过对不同节径比和雷诺数条件下通道间湍流交混的模拟，获得相应条件下的湍流交混系数。基于若干的湍流交混系数点，拟合新的湍流交混关系式，该关系式可用于正方形排列棒束堆芯的子通道分析。

【关键词】子通道;湍流交混;数值模拟;棒束通道

中图分类号： TL352 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）26-0180-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.26.088

0 前言

轻水反应堆如压水堆和沸水堆堆芯设计通常采用棒束燃料组件，燃料棒采用正方形排列。为了获得反应堆堆芯三维热工水力特性，通常对反应堆堆芯进行子通道分析。在反应堆堆芯燃料组件中，相邻子通道间冷却剂在流动过程中存在着横向动量、质量和能量的交换。这种横向交换效应即横向交混是子通道分析中最关切的问题之一。湍流交混是冷却剂通道间横向交混的重要组成部分，是由于流体脉动时自然涡团扩散引起的非定向交混。湍流交混的强弱程度将影响通道的局部热工参数，从而影响临界热流密度的预测，因此，准确地模拟湍流交混是子通道分析的关键之一。

1 湍流交混系数

湍流交混本质上是子通道间流体脉动时自然涡团扩散引起的非定向交混，属于自然交混。交混过程中一般无净质量转移，但有动量和能量转移。子通道之间的湍流交混[1]一般用湍流交混率w"ij表征，它表示两个相邻子通道之间在主流方向单位长度上由于湍流交混引起的质量流量。假定湍流交混率正比于间隙宽度和相邻通道轴向质量流速的平均值：

本研究通过计算流体动力学软件对正方形排列棒束通道（两个相邻通道）进行模拟计算，获得相邻通道间横向脉动流速和通道主流流速，从而确定正方形排列棒束通道间湍流交混系数。

2 湍流交混数值模拟

利用计算流体动力学软件开展棒束间湍流交混数值模拟，本研究采用CFX软件进行数值模拟计算。利用Pro/ENGINEER软件建立了不同节径比的正方形排列棒束通道的几何模型，如图1所示。

为了对棒束通道内水的流动与传热问题进行精确的数值计算，需要对所求计算域进行区域离散化，即网格划分。划分网格是非常重要的一步，几何模型的网格质量的好坏直接着影响后续求解过程的收敛性和精度。图2为正方形排列棒束通道网格划分。

一般而言，对于确定的某一模型，相对稀疏的网格划分可以减少计算时间和资源占用，但是会导致计算的结果与真实值偏离较大;而相对紧凑的网格划分虽然能让计算结果与真实值更加接近，但是会增加计算时间成本。因此，选择合适的网格结构就必须从计算时间和计算精度两方面综合考虑。本研究构建了四套正方形排列棒束通道网格，通过敏感性分析，选择第三套网格方案（700W）作为最终模拟计算的网格划分方案。

CFX软件中湍流模型包括k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ε模型、SSG雷诺应力模型等。在比较了不同湍流模型的模拟情况和原理的前提下，本研究选择了对于交混现象模拟较好的SSG雷诺应力模型作为湍流模型。利用CFX软件对正方形排列棒束通道间湍流交混进行数值模拟，获得其通道内流场等信息。图3为正方形排列棒束通道内流场分布。

3 湍流交混系数计算分析

目前研究表明，湍流交混系数与通道形状、雷诺数Re、子通道水力直径Dh、相邻子通道间宽度s以及燃料棒直径d等相关。本研究对不同节径比（棒束节距与燃料棒直径比值）和雷诺数（改变进口流速）下湍流交混进行模拟，获得其相应条件下的湍流交混系数。

基于不同条件下的湍流交混系数，通过曲线拟合获得正方形排列棒束通道间的湍流交混系数关系式，具体关系式如下：

图4为不同节径比和雷诺数下湍流交混系数点和拟合曲线。

4 结论

本研究利用计算流体动力学软件CFX开展正方形排列棒束通道间湍流交混数值模拟。通过网格划分敏感性分析和湍流模型的选择，确定了一套正方形排列棒束通道内湍流交混模拟的方案。对不同节径比和雷诺数条件下通道间湍流交混的模拟，获得相应条件下的湍流交混系数。基于若干的湍流交混系数点，拟合新的湍流交混关系式，该关系式可用于正方形排列棒束堆芯的子通道分析。

【参考文献】

[1]刘余，杜思佳，李仲春.子通道分析中的湍流交混研究综述[J].核动力工程，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.