【CAE案例】对核反应堆芯 5x5 棒束构型下湍流场的数值模拟

01 案例介绍

本期案例研究反应堆芯内棒束结构周围的流场情况，选取 5x5 棒束构型，中央区域为一根套管，周围均匀排布燃料棒。

模型的几何参数如下：

计算域高 h = 6 Dh

特征长度 Dh = 4A/X = 10 mm

计算域边长 c = 66.1 mm

棒束中心间距 P = 12.6 mm

边缘反应棒到边界距离 = P' - P/2 = 1.55 mm

燃料棒直径 DC = 9.5 mm

套管直径 DG = 12.14 mm

计算域示意图

02 研究方法

该案例选用三种模型进行数值模拟，分别是：

1. LES，无亚格子模型

2. LES，Wale 亚格子模型

3. EB-RSM 模型

关于不同模型的计算设置，如下表所示：

计算设置

棒束间隔区域网格

边缘区域网格

03 计算工况

计算设定为压水反应堆工况，采用定压驱动，具体参数设置如下：

入口压力：P = 155 bars

温度：T= 300 degree

密度： rho = 748.5 Kg/m3

动力粘度：mu = 9.29 E-5 Pa.s

雷诺数：ReDh = 2000

入口处湍流强度：Iu = 10%

出口流速：ud = 0.25 m/s

流场云图

04 研究结果

法向瞬时速度

计算得到流场分布情况，尺寸略大的套棒周围流体速度，明显比燃料棒周围流体速度略低，如下图所示。

法向截面的法向速度云图

法向时均速度

计算中进行了法向速度的时均统计，对比三种不同模型。

法向速度时均统计量

上图中不同数字标记分别表示：

• 标记 1：LES 计算结果显示外壁面与周围流体速度差较大，而 EB-RSM 的结果不明显。

• 标记 2、3：LES 得到的结果中速度低于 EB-RSM 结果的区域。

• 标记 4：LES 的结果角落区域速度更高。

压损系数

根据计算结果，后处理数据得到法向压损系数，对比三种不同模型。

压损系数

结果表明，LES 和 EB-RSM 得到的压损系数值相差不大。

05 结论

本次对 5x5 棒束构型下湍流场研究显示：

• 反应棒阵中掺入较大尺寸的套棒使得流场法向速度不均匀分布。

• LES 模型和 EB_RSM 模型在此种构型下得到的结果相近。

• 本次研究为课题组后续进行复杂棒束构型下的非定常流动打下良好基础。

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