子通道分析方法調(diào)研報告-文庫吧
2025-07-21 04:59 本頁面
【正文】 流交混是定位格架等機(jī)械裝置所引起。湍流作用使開式通道間的流體產(chǎn)生相互等質(zhì)量交換，一般無凈的橫向質(zhì)量遷移，但有動量和熱量的交換，因此常稱為湍流交混，表示交換混合之意。徑向壓力梯度起因于通道進(jìn)口處壓力分布的差異，功率分布的不同，以及燃料元件棒偏心、彎曲等尺寸形狀的誤差、壓力梯度的存在，造成了定向凈橫流。這種橫流有時也稱為轉(zhuǎn)向橫流。因為這是單向流動，而不是交換和交混，所以也稱它為橫流混合。由于徑向壓力梯度引起了凈的橫向流動，而質(zhì)量交換必然伴隨著動量和熱量的交換。在應(yīng)用子通道模型進(jìn)行分析計算之前，首先需要把整個堆芯劃分成若干個子通道。子通道的劃分完全是人為的，可以把幾個燃料組件看作一個子通道，也可把一個燃料組件內(nèi)的幾根燃料元件棒所包圍的冷卻劑通道作為一個子通道，不論所劃分的子通道的橫截面積有多大，在同一軸向位置上冷卻劑的壓力、溫度、流速和熱物性都認(rèn)為是一樣的。所以，如果子通道橫截面劃分得太大，則因在同一軸向位置上所有熱工參數(shù)都認(rèn)為是一樣的，這樣可能與時間情況差別較大，結(jié)果使計算精度不理想；如果子通道橫截面積劃分得太小，則計算的工作量太大，因為計算時間幾乎與子通道數(shù)目的平方成正比，計算機(jī)容量可能也難以滿足要求，計算費用也太高。為了解決上述矛盾，可采用三種方法。一般情況下，這三種方法同時結(jié)合應(yīng)用：1．利用整個堆芯形狀對稱、功率分布對稱的特點，只要計算1/8堆芯就可以了。2．計算過程可以分為兩步進(jìn)行。第一步先把堆芯按燃料組件劃分子通道，求出最熱組件，第二步把最熱組件按各燃料元件棒劃分子通道，求出最熱通道和燃料元件棒的最熱點。在第二步劃分子通道時，也可利用燃料組件的對稱性，只需計算熱組件橫截面的1/1/4或1/8。3．根據(jù)需要劃分橫截面大小不同的子通道。在可能出現(xiàn)熱組件或熱通道位置的附近，子通道可以分得細(xì)小些，在遠(yuǎn)離熱組件或熱通道的一般位置，子通道可劃分得大些。要進(jìn)行子通道分析，必須由物理計算提供詳細(xì)的堆芯三維功率分布，尤其是熱組件內(nèi)各子通道的精確的功率分別。還應(yīng)由水力模擬試驗給出堆芯進(jìn)口的冷卻劑流量分布，湍流交混速率及橫流阻力系數(shù)，這樣才能使子通道分析具有可靠的精確度。嚴(yán)格來說，子通道計算在數(shù)學(xué)上是空間域內(nèi)的多點邊值問題，以進(jìn)出口壓力作為邊界條件。為解決計算上的困難，通常用時間域內(nèi)的初值問題來近似，用已知的進(jìn)口流量和均勻的出口壓力作為邊界條件。[1] 子通道的劃分和一般分析方法目前子通道劃分有兩種方法。一種子通道是由聯(lián)結(jié)棒的中心線，垂直管壁的直線及管內(nèi)壁所組成。大多數(shù)子通道程序均采用這種劃分法。另一種子通道的邊界由所謂“零剪應(yīng)力線”所構(gòu)成。此法的優(yōu)點是在兩相環(huán)狀流動中，液體在棒的周圍存在自身再分配的趨勢。但由于零剪應(yīng)力線很難確定，因而很少采用這種方法。分析中將子通道沿軸向分成若干控制體。對每個控制體，考慮子通道間的橫向相互作用，寫出質(zhì)量、能量和動量守恒方程并用迭代程序求解。假設(shè)在每一個子通道內(nèi)壓力、流量和焓沒有徑向分布，流體的特性在子通道中心定義。[1] 質(zhì)量、能量和軸向動量守恒方程將質(zhì)量守恒原理應(yīng)用于i子通道的控制體內(nèi)（圖3），可得質(zhì)量守恒方程： （1）式中，Ai，i，mi分別為i子通道的流通面積、流體密度和軸向質(zhì)量流量。Wij為從子通道i〉j的單位長度上的橫向流量。密度對時間的偏導(dǎo)數(shù) 給出由于流體的膨脹或收縮引起的流量變化。求和對于i相鄰的全部子通道（N個）進(jìn)行。 圖3：質(zhì)量方程控制容積 圖4：能量平衡將能量守恒原理應(yīng)用于i子通道的控制體內(nèi)（圖4），可得能量守恒方程： （2）式中，h和T分別為子通道的焓和溫度；q為單位長度的子通道加熱量（或功率）；Cij是與流體的熱導(dǎo)率有關(guān)的系數(shù)；Wij’為子通道間的湍流交混量；u’’為能量遷移的有效速度；h*為橫向流所攜帶的焓。若子通道是均勻的，h*可定義為：當(dāng)Wij0時，h*=hj；當(dāng)Wij0時，h*=hi。方程（2）右邊第一項表示子通道所受的加熱量與流量之比，給出在沒有交混的情況下子通道焓的變化率。第二項是由于子通道間的流體的熱傳導(dǎo)引起的焓變化率。第三項表示相鄰子通道湍流交混引起的焓遷移。第四項表示橫向流動引起的焓遷移。將動量守恒原理應(yīng)用于i子通道的控制體內(nèi)（圖5），可得動量守恒方程： （5）式中，分別為子通道的流體的流速、壓力、比容、有效動量遷移比容、兩相摩擦倍率和單相摩擦系數(shù)；D為子通道的當(dāng)量直徑；g為重力加速度；為子通道軸向與鉛錘方向的夾角； 是考慮熱量和動量渦流擴(kuò)散之間不完全模擬的系數(shù)；u*為有效橫向流速，它與能量方程中的h*相類似。方程（5）右邊的前幾項分別表示摩擦壓降，重力壓頭和動量交換項。這幾項在各子通道程序中基本相同，而最后一項（橫向流引起的動量遷移）則因程序不同而異。圖5：軸向動量守恒 橫向動量平衡方程橫向流量Wij由橫向動量平衡方程確定。由于橫向流是相鄰子通道間的徑向壓力梯度造成的定向流動，因而它在棒束組件的入口處、沸騰起始和發(fā)展的區(qū)域及元件發(fā)生形變或流動截面脫然變化的區(qū)域特別重要。在早期的子通道程序中，由于缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)，通常采用較為簡化的橫向動量平衡模型：式中，Km為橫向阻力系數(shù)；Sij為子通道i和j之間的連接寬度；gc為重力換算系數(shù)。上述公式由于忽略了軸向流速的影響，是不恰當(dāng)?shù)摹Ｇ腥R梅爾（Chelemer）等根據(jù)單相實驗數(shù)據(jù)，考慮到軸向流速的影響，得到如下的橫向阻力系數(shù)的修正公式：式中，為常數(shù)；V為橫向流速；u為軸向流速；為當(dāng)時的Km值。在THINC和SASS程序中，Km的計算式為：在COBRA中，羅伍（ROWc）研究了小間隙子通道間的矩形控制體內(nèi)的動量平衡，得到下式：式中，Ｆ為摩阻和形阻損失；ｌ為橫向偽長度，它近似等于子通道的質(zhì)心距。羅哈尼（Rouhani）認(rèn)為橫向動量平衡的完整公式除純摩擦項外，還包括不同的慣性項和加速項。因此橫向動量平衡方程的最一般形式應(yīng)為：式中，Ｒｖ為與軸向流速有關(guān)的慣性項；Ｒｕ和Ｒｗ是水平方向的橫向流的加速和減速效應(yīng)；為橫向流流過間隙的摩擦阻力效應(yīng)。 湍流交混效應(yīng)相鄰子通道間的湍流交混效應(yīng)是很重要的，因為最熱的子通道中的焓主要是通過這種途徑來降低的。子通道間的交混程度通常用單位長度上湍流橫向擾動速率表示式中，ｅ，Ｌ，Ｄｅ分別為湍流擴(kuò)散率，普朗克交混長度和通道的當(dāng)量直徑。在反應(yīng)堆條
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