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球床水冷反应堆,堆芯采用球形燃料元件,比现役反应堆具有更高的功率密度,是一种新概念反应堆。本文以球床水冷反应堆为研究背景,对小球填充多孔介质通道内单相水的流动与传热特性进行了数值模拟研究。
与常规管通道相比较,流体在多孔介质通道中的流动过程更加复杂,流动阻力也大幅增加。虽然通过构建多孔介质通道的几何模型,并求解其N-S方程,可以计算多孔介质通道内的阻力压降,但计算时需要划分大量的网格,很难广泛应用。
本文在相似理论基础上,以FLUENT6.3为平台,建立了小球填充多孔介质通道的压降预测模型,通过求解其3维N-S方程,对模型中单相水的绝热流动进行了数值模拟。通过与实验结果进行比较表明,该预测模型对于不同工况下单相流体的压降计算具有较高的计算精度,对于无量纲直径D=0.16、0.1和0.04(直径分别为2mm、5mm和8mm)的小球填充多孔介质通道,计算误差范围分别小于5％,7％和7％;对于单相流体的压降,现有多孔介质中模型中的惯性阻力修正系数CF对计算结果的影响很大,不能对阻力压降进行很好的预测;流动阻力随D的增大而减小。
同时,本文采用局部非热平衡模型,对紊流及过渡区范围内骨架发热多孔介质竖直通道内的非达西强制对流换热进行了数值研究。采用3维N-S方程及标准k-ε湍流模型描述多孔介质内的流动,详细研究了孔隙有效雷诺数Re(400＜Re＜2000),表面热流密度q(q=5kW/m2,30kW/m2,90kW/m2)和冷却剂入口温度Tin(Tin=20℃,50℃,80℃)对多孔介质流道内流动阻力及换热特性的影响。结果表明:低热流密度时,表面热流密度对流动阻力和换热系数的影响很小;小球直径对换热系数的影响显著,且雷诺数越大,影响也越显著;换热系数随冷却剂入口温度的增加而减小。