7根杆束的流体-结构相互作用：用实验数据对比数值模拟

2023/04/10   下载量： 0 次

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应用领域 能源/新能源
检测样本 核能
检测项目
参考标准 无

液体通过棒束中流动在许多核能应用中被观察到，例如在第四代液态金属快中子繁殖核反应堆（LMFBR）的堆芯中。该结构的一个主要特征是由于棒间子通道中速度差异而出现的棒间间隙中流动脉动。一方面，这些脉动是有益的，因为它们增强了棒和流体之间的热交换。另一方面，流体脉动可能引起柔性燃料棒的振动，这种机制通常称为流致振动（FIV）。随着时间的推移，这可能导致棒的机械疲劳和振动损伤，最终可能危及其结构完整性。在SESAME框架下，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）、根特大学（UGent）和NRG合作开展了一项工作，旨在对7根棒束中的FIV进行实验测量，并将数值模拟与所获得的实验数据进行验证。由TU Delft进行的实验是通过一个P/D=1.11的七边形棒束进行重力驱动流动，其中200mm的中心棒段由硅胶制成，其中100mm是柔性的。采用激光多普勒测速仪（LDA）进行流量测量，而高速摄像机则测量了硅胶棒上诱导的振动。数值模拟采用了非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程（URANS）方法进行湍流建模，并采用强耦合算法解决了流固耦合（FSI）问题。测得的流脉动频率以及平均棒位移和振动频率被用于进行基准测试。

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配置单
方案详情

在核能应用中，棒束几何结构是非常常见的配置，可以在热交换器中、液态金属快中子繁殖反应堆(LMFBR)的堆芯、压水堆反应堆(PWR)、沸水反应堆(BWR)或加拿大重水反应堆(CANDU)中找到。当流体流经棒之间的空间时，低速区域与棒之间的速度差异会产生。这两个区域之间的剪切可能会触发由流体携带的大型相干结构条带 (Lexmond等人，2005；Mahmood，2011)，也称为间隙漩涡街。其形成机制尚未完全理解，有不同的理论已被提出。如果缝隙的速度分布具有拐点，则可能触发线性不稳定机制，正如Tavoularis（2011）、Guellouz和Tavoularis（2000）、Moradi和Tavoularis（2019）以及Merzari和Ninokata（2011）所讨论的那样，这将导致间隙漩涡街的形成。速度分布中的拐点被视为这些周期性漩涡形成的必要条件(尽管不充分)，正如Rayleigh的标准(Rayleigh, 1879)所预测的那样。过去(1974年的Rowe等人，1987年的Rehme，1991年的Möller)和最近(2014年和2015年的Choueiri和Tavoularis，2011年的Piot和Tavoularis)对棒束流中间隙漩涡街进行了许多实验。 Meyer(2010)对这个主题进行了广泛的回顾。由于计算机能力的提高，计算流体力学(CFD)研究也已被执行以研究这些现象。例如，一些最初的非稳态雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程(URANS)模拟是由Chang和Tavoularis(2005)和Chang和Tavoularis(2007)执行的，而大涡模拟(LES)是由Merzari和Ninokata(2009)和Merzari和Ninokata(2011)执行的。间隙漩涡街可能会产生益处，因为它增强了燃料棒和核冷却剂之间的热交换，从而防止了燃料元件外包层的热点问题。

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