VirtualFlow | 核燃料组件中的单相流动与传热

在核电领域，保障核反应堆的安全稳定运行是核心任务之一，而热工水力分析作为评估反应堆安全性能的关键环节，其准确性和高效性至关重要。流体数值模拟技术凭借其能够精准还原复杂流动与换热过程的优势，成为核反应堆安全分析中不可或缺的重要工具。

要预测燃料棒组件的热工水力性能，尤其是预测临界热通量（CHF）的发生，必须掌握流动和相分布的详细信息。然而，目前的计算方法在面对如此复杂的应用场景时，仍需要大量开发新的模型，并对现有模型进行彻底验证，以提高预测的准确性。

定位格架作为燃料棒组件的重要组成部分，发挥着关键作用。它具有加强动量和能量横向交换的双重功能。这种横向搅混作用能够促使组件内冷却剂的换热系数得到显著提升，从而可以有效地推迟临界热通量（CHF）的发生，提高燃料棒组件的安全性。

为了深入研究相关问题，科研人员搭建了专门的实验设备（如图 1 所示）。该设备由一个试验段、一个储水池、一个 15kw 的离心泵、流量控制阀和不锈钢管道组成，形成一个闭环系统。

   

   

图2 格架及其在IST粗网格中的CAD模型

     

     

图3 格架流速云图

NUPEC数据库（Rubin等人，2010年）PSBT标模侧重于加强对子通道中棒束流体流动的分析，这对于核反应堆安全界限评估具有重要意义。在这个案例中，我们先把模型等比例缩小，再模拟和分析压水反应堆（PWR）中的稳态单相共轭换热流动。

所研究的 5×5 棒束的压水反应堆（PWR）包含三种不同的格架：简单格架 (simple spacer)、非搅浑翼 (non-mixing vane) 和带搅浑翼 (mixing vane) 格架（如图 4 所示）。在模拟过程中，湍流效应采用标准 k-ε 模型计算，固体结构（包括格架和燃料棒）采用浸没表面技术（IST）建模。

   

   

图4 格架CAD模型（左：带搅浑翼；右：不带搅浑翼）

VirtualFlow 软件在对稳态流动进行数值模拟时，采用了修正的带壁面函数的 k-ε 湍流模型，修正后的模型考虑了产生和耗散方程中的浮力，从而提高了模拟的准确性。格架的 CAD 模型被植入到直角网格中（如图 5 所示），该网格提供了足够的网格量来对流体和固体进行网格划分。

   

   

图5 整个系统的IST网格

   

   

图6 固体上的温度等值图

在最终的模拟中，需要对整个PSBT几何来进行研究分析，总长3.658m ，总共包含了17个格架，大概需要2300-3500万网格，这与贴体网格相比，大大地节省了网格量（若采用贴体网格大概需要1亿网格量）。

图7显示的是固壁上的温度云图，显示了由IST方法捕获到的流动的细节。特别显示了不同格架之间的热量传递过程。

图7 整个组件表面的温度云图

   

   

图8 1号格架温度云图与二次流    

   

   

图9 2号格架温度云图与二次流

VirtualFlow 软件凭借其先进的 IST 网格技术以及与 RANS 方法等湍流模型的有效结合，在核电领域的热工水力模拟中展现出了卓越的性能。它不仅能够精准模拟多种复杂的热工水力过程，为核反应堆的安全分析提供详细且可靠的数据支持，还在计算效率方面具有显著优势，能够大幅节省网格量，降低计算成本。