【CAE案例】对核反应堆芯 5x5 棒束构型下湍流场的数值模拟

5x5棒束构型下流场特性的数值模拟研究：压水反应堆模型应用


案例介绍




背景

本研究聚焦于反应堆芯内棒束结构周围复杂流场的分析，选取了5x5棒束构型作为典型案例。该构型的特点是在中央区域设置了长度为一根套管，周围均匀分布的是燃料棒。通过详细的尺寸参数设定，构建了一个真实反映堆芯流体动力学行为的模型。核心几何参数包括计算域高、特征长度、计算域边长及棒束中心间隔、边缘反应棒到边界距离等，为后续数值模拟提供了一套精确的参考框架。

数值模型选择与参数配置


为准确评估流场特性，本研究采用了以下三种数值模型：


1. 大涡模拟（LES）：用于模拟三维湍流流动。


2. 无亚格子LES模型：一种简化的大涡模拟，降低了计算复杂度。

3. 无穷时尺度模型（EBRSM）：一种通过吸收边消除边界层影响的流动模拟方法。

计算工况设定

基于压水反应堆特性的工况设置模拟参数，包括入口压力 \( P = 155 \, \text{bars} \)、温度 \( T = 300 \, \text{°C} \)、密度 \( \rho = 748.5 \, \text{Kg/m}^3 \)、动力粘度 \( \mu = 9.29 \times 10^{5} \, \text{Pa.s} \)、雷诺数 \( Re_{Dh} = 2000 \)、入口处湍流强度 \( I_u = 10\% \)、以及出口流速 \( u_d = 0.25 \, \text{m/s} \)，以实现对流场分布、速度特性及压损系数的全面分析。

研究结果与发现


流场分布与速度特性

通过运用各种数值模型模拟的流场云图揭示出，较大尺寸套管周围的流体速度明显较外为低，相较于均匀分布的燃料棒周围。在特定的线性配置与几何参数下，不同模型在法向速度分布上的差异体现了模型间对流场行为的模拟精度与适用性的差异。

静态与动态速度分析

在法向速度的时均统计分析中，观察到了在LES模型下形成的外壁面与周围流体间的显著速度差，这与EBRSM模型的结果形成鲜明对比。具体分析显示：

标记1：LES模型中，外壁面与周围流体速度差显著，EBRSM模型相对减缓。


标记2、3：在LES模型下，存在速度低于EBRSM的区域分布。


标记4：LES模型的角落区域速度展现出高于整体平均的特征。


压损系数比较

研究进一步通过计算得到的法向压损系数的比较，证实了LES模型与EBRSM模型在该构型下的结果较为接近，且总体压损系数差异不大，表明两款模型在预测复杂几何结构下流体动力学性能方面具有较高的共识性。

结论与展望

本文研究了5x5棒束构型下湍流场的特性，发现各棒束间距和结构特征对流场法向速度产生的均匀性影响显著。关键发现表明，大尺寸套管的引入导致流体动力学分布不均，而在数值模拟的对比中，针对复杂棒束构型动态流场的研究，无论是基于LES模型的精细模拟还是采用更简化处理的EBRSM模型，均表现出相似的物理行为特征和压损系数水平。

此研究为后续进行更复杂棒束构型下的非定常流动特性分析与优化奠定了坚实基础，具有重要的实验支持和应用潜力。欲获取更多关于流体动力学分析与模拟的前沿资讯，欢迎访问格物CAE官方网站获取深入解读与实验数据。此外，远算云学院公众号、Bilibili、头条、知乎等平台定期发布与流场特性相关的课程视频和行业动态，期待与您共同探讨未来发展趋势。

原创生成的篇章专攻于复杂流场模型的细致分析与对比，描绘了在特定堆芯配置下流体动力学分布的原理与行为特征，为后续科学研究提供了深刻的见解。通过多维度、多模型的并行研究，不仅验证了数值模拟方法的精确性，还在解决实际工程问题方面提供了重要的决策支持依据。