论文部分内容阅读
安全性和经济性始终是核能在当今世界能源格局中占有重要地位的保证，作为新堆型设计的重要方向，球床水冷堆在这些方面都具有独特的优势。相比于随机堆积球床，规则填充球床具有更佳的综合换热性能，应用前景广阔。开展规则填充球床内单相对流换热的研究，对球床水冷堆的优化和球床计算方法的完善都具有重要的意义。 本文使用CFD方法研究了简单立方（SC）、体心立方（BCC）和面心立方（FCC）等规则填充球床在湍流流态下的单相流动和换热特性及其影响因素，从颗粒和液体工质的匹配、球床实验段两方面为BCC球床的粒子成像测速（PIV）实验进行了初步设计，以期验证速度场的模拟结果。本文主要的研究工作和结果如下： 1.采用搭桥法处理颗粒间的点接触问题，确定了合适的球床规模与桥柱直径，分析了局部流动和换热特性以及桥柱直径对其的影响。结果表明：SC和FCC球床能简化成1/4通道模型，而BCC球床采用单通道模型比较合适，原因是其湍流流场的对称性会从轴对称转变成中心对称，压力梯度和Nu数均得到明显提高。流场对称性变化的位置受到Re数影响，但未受到球床轴向层数的影响。桥柱直径增加会降低BCC和FCC球床的局部压降，但在其不高于0.1倍颗粒直径时不会对三种球床的平均压降和换热特性产生显著影响，建议取0.1倍颗粒直径较为合适。 2.研究了颗粒直径、加热条件和工质种类对单相流动和换热特性的影响。结果表明：压力梯度、对流换热系数都会随着颗粒直径的缩小而升高，增加颗粒直径有助于提高综合换热性能，但是颗粒直径不会影响到压降和对流换热系数的轴向分布特性；平均阻力系数和Wakao型对流换热关联式的系数也都没有受到工质种类和加热条件的影响。受到轴对称流动和中心对称流动阻力特性的差异影响，BCC球床的平均阻力系数随着Re数变化的趋势和SC、FCC球床有显著不同。 3.找到了满足球床PIV实验需要的颗粒材料和液体工质，讨论了BCC球床实验段设计方案的预期实验效果和需要注意的问题。结果表明：以高硼硅玻璃作为颗粒材料、以松节油或者ω=57％的NaSCN溶液作为液体工质比较合适；在实验段设计上，整球填充方案难以削弱边壁效应对流场对称性变化的干扰作用，不能达到实验目的；格架方案的预期结果能够证明 BCC球床的流场变化，但速度和压降的测量值会出现明显偏差；贴壁半球方案的预期效果最好，但是高硼硅玻璃半球和1/4球的制造加工目前无法满足本实验的需要。