高温气冷堆准多孔介质流动与换热特性研究

高温气冷堆是一种很有发展前景的先进核能系统，对于解决能源、环境和可持续发展问题具有重要意义，其堆芯球床及蒸汽发生器管束内的安全传热还需要进一步深入研究。本项目以揭示横掠高温气冷堆堆芯球床及蒸汽发生器管束对流换热特性为目标，采用数值计算、实验与理论分析相结合的方法研究横掠堆芯球床及蒸汽发生器管束对流换热的壁面效应、热点扩散、变孔隙率等现象，确定描述壁面漏流、动量弥散、热量弥散的理论模型及关键参数，从而建立适用于高温气冷堆堆芯球床及蒸汽发生器管束的多孔介质模型，实现对堆芯球床及蒸汽发生器管束的大规模数值模拟，进而研究高温气冷堆堆芯与蒸汽发生器在极端、复杂条件下流动与传热的不均匀性及温度分布的不确定性，为深入了解高温气冷堆安全传热问题奠定基础。

模块化球床高温气冷堆是具有第四代反应堆特征的先进核反应堆，其最重要的传热现象为堆芯内氦气冷却剂横掠燃料球球床对流换热和蒸汽发生器内氦气横掠螺旋管束对流换热。堆芯燃料球球床及蒸发器内螺旋管束均具有多孔介质的特点，只有采用多孔介质方法建立堆芯及蒸发器的整体模型，才能实现对其整体大规模数值模拟，从而综合研究各种不确定性因素对堆芯及蒸发器温度分布均匀性及不确定性的影响，为进一步深入认识高温气冷堆的安全性和进一步提高其运行参数奠定基础。本项目采用理论分析、数值计算结合实验的方法系统研究了高温气冷堆堆芯燃料球球床、蒸汽发生器螺旋管束的局部对流换热特性和等效温度扩散系数等多孔介质特性，然后基于球床及管束的特点建立了堆芯燃料球球床及蒸发器管束的整体多孔介质模型，实现了能够综合考虑各种复杂因素的堆芯球床及蒸汽发生器管束的大规模数值模拟。本项目取得的主要成果有：（1）基于管束内热点扩散的解析解提出了新的管束混合系数分析方法，并用实验结果进行了验证，指出了横掠管束混合效应的不同组成及各自的份额，得到了高温气冷堆蒸发器管束的混合系数。用数值计算方法研究了具有壁面效应的横掠管束对流换热特性，发现了横掠管束的壁面漏流现象并解释了其机理；（2）基于管束多孔介质特点建立了高温气冷堆蒸发器的多孔介质模型，进而开发了基于多孔介质模型的高温气冷堆螺旋管式直流蒸发器管壳侧耦合换热二维分析程序SG-MIX。在此程序的基础上全面研究了几何偏差，热工水力偏差，堵管效应等对蒸发器温度不确定性的影响；（3）采用数值计算方法研究了具有典型堆积方式的燃料球表面对流换热特性，得到了燃料球表面及内部温度分布。基于理论分析和实验结果，获得了随机堆积球床孔隙率分布特性，包括随机堆积球床孔隙率分布概率、壁面孔隙率分布、随机堆积球床孔隙率极值等；（4）基于球床多孔介质特点建立了堆芯多孔介质模型，实现了对堆芯的整体二维数值模拟，从而能够分析在堆芯实际分布功率下，随机孔隙率、极值孔隙率、壁面漏流等现象对堆内流动及温度分布不确定性的影响。