开题报告-先进子通道分析程序紧密栅相关流动传热模型研究.doc

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：先进子通道分析程序紧密栅相关流动传热模型研究 学生姓名: 学生学号: 专 业: 核工程与核技术 指导教师: 学院 (系): 机械与动力工程学院 教务处制表填表说明1. 根据上海交通大学关于本科生毕业设计(论文)工作的若干规定要求，每位学生必须认真撰写毕业设计（论文）开题报告。2. 每位学生应在指导教师的指导下认真、实事求是地填写各项内容。文字表达要明确、严谨，语句通顺，条理清晰。外来语要同时用原文和中文表达，第一次出现的缩写词，须注出全称。3. 开题前，须进行文献查阅，要求与论文研究有关的主要参考文献阅读数量不少于10篇，其中外文资料应占一定比例。参考文献的书写请参照上海交通大学本科生毕业设计（论文）撰写规范。4. 毕业设计（论文）开题报告总字数应满足本院（系）要求。5. 请用宋体小四号字体填写，并用A4纸打印，于左侧装订成册。 6. 该表填写完毕后，须请指导教师审核，并签署意见。7. 上海交通大学本科生毕业设计（论文）开题报告将作为答辩资格审查的主要材料之一。8. 本表格不够可自行扩页。 毕业设计（论文）开题报告毕业设计(论文)开题报告论文题目先进子通道分析程序紧密栅相关流动传热模型研究课题来源课题性质项目编号课题研究目的和意义（含国内外研究现状综述）：核能作为解决能源危机的有效途径一直稳步发展，但由于铀矿资源有限，提高燃料利用率变得十分必要。而在新型反应堆的堆芯设计中，就往往采用了紧密燃料栅元，以便降低水铀比，使中子能谱硬化，提高U238的转化效率，从而提高燃料的利用率1。作为被大部分国家当做水冷堆后续发展方向的超临界水冷堆就采用了这种紧密栅元设计。狭小的空间使得实际测量堆内热工水力参数十分困难，因此近年来通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,简称CFD）进行棒束通道内流动传热的模拟越来越受到关注。近年来，越来越多的实验研究开始关注棒束通道内的湍流脉动。实验研究表明，棒束内湍流流动与圆管内的完全不同，在棒束间隙区有很强的交混2。尽管1973年Rowe的研究3，以及1974年Rowe、Johnson、Knudsen的研究发现了一种疑似流动脉动的现象影响了子通道之间的交混，但这一现象仍然一度被归结为是二次流的影响4。而通过1984年Hooper和Rehme5，以及1991年Mller6对湍流现象更细致地测量之后，他们证实了之前Rowe的研究，发现了在棒与棒的间隙以及棒与壁面的间隙中存在能量和几乎周期性的流动脉动,认为在较窄P/D比的通道中大规模脉动是引起较高湍流强度的原因。1992年，Mller7和Rehme8分别研究发现，棒束间隙区的这种周期流动脉动是产生棒间隙强烈交混的主要原因，是影响子通道间能量质量交换的最主要因素，而二次流并没有对交混速率有特别明显的影响。在1994年Meyer9和199510和199611年Krauss同Meyer对这一现象通过37根棒束的实验进行了进一步的研究，他们指出温度脉动和速度脉动以相同的脉动周期同时存在。 这种流动脉动和子通道的几何构造与雷诺数密切相关，当雷诺数低于一定的临界值时，这种脉动便消失12。1998年，Krauss和Meyer2通过对比P/D比分别为1.06和1.12的两种紧密栅元流动和传热特性对比之后，认为湍流脉动造成了子通道之间剧烈的湍流交混，同时，他们通过对窄缝区谱功率密度、雷诺数的测定，发现了湍流脉动的频率随窄缝处时均速度增加而增加，脉动的波长为=150mm，波长与窄缝处流体速度无关，而与棒束几何结构有关。在测量了窄缝区的温度脉动之后，他们还认为窄缝区的大涡结构分布是恒定的，与流体的速度和粘度没有关系，并且提出了脉动产生的模型，即两个旋转方向相反的轴向距离相差/2的涡状结构在窄缝区外部高速流体的牵引下沿轴向以一定速度上升。除此之外，他们通过交叉谱能量密度的测量得出了各个窄缝区脉动情况相似的结论。BARATTO13等人在2006年的研究中发现，壁面通道中，在1.015W/D1.250（W为棒最远端距壁面的距离，D为棒径）的范围内，流动脉动的频率随间隙的减小而减小。于意奇等人的研究发现，当Re低于一定的阈值时，间隙区的流动振动也不会发生14。此外，这种流动脉动均化了壁面的温度，对于反应堆堆芯的工业设计比较有利15。先进子通道程序中紧密栅相关模型开发是国际核能研发的重点问题，也是近年来的研究热点之一。本次研究目的是得出描述子通道间流动脉动交混（交混系数模型）的数学物理模型，以期将数学模型以编程语言的形式在现有子通道分析程序中（如COBRA）实现，拓展现有子通道程序对紧密栅棒束的计算功能。课题研究内容：本研究将从现象学研究入手，探寻主导紧密栅相关现象的无量纲参数及其作用机理，开发描述上述现象的、具有较宽适用范围且可直接应用于子通道分析程序的数学物理模型，采用棒束实验进行模型验证。主要研究内容如下： (1）调查现有相关脉动流研究的文献，了解紧密栅脉动现象发现的历程，已知的影响脉动周期、波长、频率等特征的因素，相关实验研究的实验条件、实验方法以及实验结论，脉动现象对栅元通道内流动、传热性质的影响。(2）学习CFD的使用，包括：栅格的导入，边界条件的设置，求解器的设置，物理参数的读取等。(3）使用URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes,即非稳态雷诺平均纳维斯托克斯模拟）方法来模拟通道间的流动脉动现象，测定窄缝区内无量纲横向脉动速度,脉动温度，得到其随时间变化的图像，用适当的函数模型予以表示。通过改变关键无量纲准则数，得到该函数模型与各无量纲准则数的关系，最终得到修正的函数模型。(4）将新提出的紧密栅元流动通道间交混模型嵌入到子通道程序中，采用实验数据对修改后的子通道程序进行验证，并与以往的模型进行对比。(5）对研究结果做出总结分析，提出未来研究的重点方向。研究方法和研究思路（技术路线）：(1）从基本守恒方程出发，对方程及其边界条件进行无量纲化，推导影响通道间的流动脉动交混的关键无量纲准则数，以理论分析和大量CFD计算为基础开展参数敏感性分析，结合相关性分析方法推导得到关键准则数及其对紧密栅流动的影响规律，为模型的初步建立提供可选参变量。(2）以商用CFD计算软件CFX或Fluent为计算工具，针对三角形紧密栅棒束建模，建模过程要考虑到子通道流道及其周边燃料棒。目前，RANS（ReynoldsAverageNavier-Stokes，即雷诺平均方法模拟）、LES（Large Eddy Simulation，即大涡模拟）、DNS（DirectNumericalSimulation，即直接数值模拟）方法和URANS方法均被应用在模拟棒束内的湍流流动，考虑到RANS方法无法再现棒束流动的各向异性特点，LES和DNS计算代价太大，对通道间的流动脉动现象计划使用文献14中推荐的转为瞬态模拟设计的SAS湍流模型（尺度自适应模拟模型）进行URANS模拟。(3）CFD模拟针对三角形排列的紧密通道，流体采用常温常压的空气，P/D的范围和Re的范围使用文献14中采用的范围。计算域包括两个由间隙连接的子通道。整个计算包括3组周期性边界条件和非滑移的壁面边界条件。进出口的周期性边界条件固定质量流速，计算长度为4倍于Krauss和Meyer测定的脉动平均波长，网格总数为60万，时间步长满足：，为最小振动频率，选为 15。详细数值参数如表1-1。测定窄缝区内无量纲横向脉动速度,脉动温度，测定位置欲采用文献16中实验测定脉动速度、脉动温度的位置。表1-1 CFD模型参数参数数值棒束排列结构三角形棒径,mm140节径比，P/D1.0011.2（实验值为1.06）计算域长度，m0.6压力，MPa0.1工质空气温度，47Re5 000215 000湍流模型SAS子通道计算程序中常用的湍流交混定义如下17，其中为相邻子通道的平均流体主流速度，为间隙区域速度脉动，平均速度脉动和雷诺应力的关系如下.速度脉动可以通过雷诺应力来计算，其中，和分别为正x轴方向和正z轴方向的均一化雷诺应力；为间隙法相与正x轴的夹角。通过上式计算，可以最终得到间隙区域的湍流交混系数。(4）采用（1）得到的关键准则数及其影响规律，采用一定的数学方法（如最小二乘法、贝叶斯方法），通过最小化误差的平方和寻找与数据即（3）中得到的CFD数值计算结果的最佳函数匹配。得出描述子通道间流动脉动交混（交混系数模型）的数学物理模型。采用实验数据检验模型的适用性与计算精度。(5）将（3）中数学模型以编程语言的形式在现有子通道分析程序中（如COBRA）实现，拓展现有子通道程序对紧密栅棒束的计算功能，通过程序调试、与CFD计算结果的对比，对二次开发后的子通道程序进行确认（Verification）。考虑到棒束局部测量参数（流场局部流量）的匮乏性，通过数据共享、文献阅读等方式采用现有紧密栅棒束整体实验数据（冷却剂出口温度等）对程序进行验证（Validation），从而定量给出开发后程序的误差范围和不确定度。预期研究结果：（可选填）(1）影响通道间的流动脉动交混的关键无量纲准则数。(2）改进后的子通道交混模型。(3）二次开发后的子通道分析程序。计划进度安排：表2-1计划进度安排时间任务3月3日-3月17日以商用CFD计算软件CFX对已有网格模型进行模拟计算，通过改变边界条件、求解器的设置，模拟出紧密栅元通道的流动状态，包括窄缝区内横向速度,温度的波动现象。3月17日-4月5日寻找与CFD数值计算结果最佳的函数匹配，得出描述子通道间流动脉动交混（交混系数模型）的数学物理模型。4月5日-4月20日尝试将数学模型以编程语言的形式在现有子通道分析程序中实现，并撰写毕业论文。4月20日-5月10日完成英文学术论文的撰写，争取参加一次国际学术会议来交流本研究成果。参考文献：1 OLDEKOP W, BERGER H D, ZEGGEL W. General features of advanced pressurized water reactors with improved fuel utilizationJ. Nuclear Technology, 1982, 59(2):212-227.2 Krauss T, Meyer L. Experimental investigation of turbulent transport of momentum and energy in a heated rod bundleJ. Nuclear Engineering and Design, 1998, 180(3):185-206.3 Rowe, D.S. Measurement of turbulent velocity, intensity and scale in rod bundle flow channels:report of Battelle Pacific Northwest Laboratories,Richland,WAR,United States: USDOE,1973.4 Rowe, D.S, Johnson, B.M, Knudsen, J.G. Implications concerning rod bundle crossflow mixing based on measurements of turbulent flow structureJ. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1974, 17(3):407-419.5 Hooper, J.D, Rehme, K. Large-scale structural effects in developed turbulent flow through closely-spaced rod arraysJ. Journal of Fluid Mechanics, 1984, 145:305-337.6 Mller, S.V. One phenomena of turbulent flow through rod bundlesJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 1992, 4(1):25-35.7 Mller, S.V. Single-phase turbulent mixing in rod bundlesJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 1992, 5(1):26-33.8 Rehme, K. The structure of turbulence in rod bundles and the implications on natural mixing between the subchannelsJ. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1992, 35(2):566-581.9 Meyer, L. Calibration of turbulent velocity and temperature in a central channel of a heated rod bundleJ. Nuclear Engineering and Design, 1992, 146:71-82.10 Krauss, T, Meyer, L. Measurements of turbulent velocity and temperature in a wall channel of a heated rod bundle:report of Forschungszentrum KarlsruheR,Germany:SIGLE,1995.11 Krauss, T, Meyer, L. Characteristics of turbulent velocity and temperature in a wall channel of a heated rod bundleJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 1996, 12(1):75-86.12 MEYER L, REHME K. Large-scale turbulence phenomena in compound rectangular channelsJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 1994, 8(4):286-304.13 BARATT