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海洋条件下环形燃料压降及流量分配特性研究

摘要

环形燃料棒呈独特的中空形状，存在内外两个相互独立的冷却剂通道，允许双面冷

却，提升了冷却性能，能够在保持安全裕量的前提下显著提高功率密度，减轻堆芯重量，

适用于海洋核动力装置。受海洋环境的影响下，堆芯内部冷却剂流动处于瞬态波动状态，

直接影响环形燃料组件内外冷却剂通道的流量分配，进而关联堆芯热量的导出效率，威

胁核反应堆的安全性。冷却剂通道的流量分配特性与阻力特性直接相关，为保障海洋核

动力装置的安全运行，开展海洋条件下环形燃料压降及流量分配特性研究具有重要工程

意义。

本文基于粒子图像测速技术与数值模拟方法相结合的研究手段，在稳态流动、脉动

流动与摇摆条件下对5×5环形燃料棒束通道开展研究。稳态流动条件包含不同雷诺数

工况（Re=1000~8000）；脉动流动条件包含不同无量纲脉动幅值（0.1~0.6）与无量纲脉

动频率（2.10~6.26）；摇摆条件包含不同摇摆角度（5°~22.5°）、摇摆周期（3s~14s）

和主流速度（0.3m/s~1m/s）。本文研究聚焦于环形燃料的流量分配特性与阻力特性，分

别解耦分析雷诺数、轴向加速度和附加外力场对其的影响规律与作用机理。

研究结果表明：在稳态流动条件下，冷却剂更易进入外流道，随着雷诺数增大，由

于内外流道几何形状差异，转捩未同时进行，阻力变化存在差别，在阻力差异的作用下

流量分配比（内流道流量与总通道流量之比）呈现先减小后增大的趋势。在脉动流动条

件下，排除雷诺数影响后，脉动幅值与频率均以影响脉动加速度的形式作用于环形燃料

流量分配特性，流量分配比与无量纲脉动加速度呈近似线性正相关。在摇摆条件下，发

现摇摆周期内的部分相位存在燃料组件间的内部循环流动现象，摇摆参数通过作用于切

向与法向加速度从而改变通道流量分配特性，给出了流量分配比、摇摆参数和切法加速

度之间的关联关系。

为实现工程应用中瞬态环形燃料流量分配特性的预测需求，基于遗传算法优化神经

网络方法，以各运行工况作为输入参数，建立稳态流动、脉动流动与摇摆条件下的流量

分配比计算模型，验证后模型总误差保持在±2%以内。

关键词：棒束通道；环形燃料；脉动流；摇摆条件；流量分配特性

海洋条件下环形燃料压降及流量分配特性研究

ABSTRACT

Annularfuelrodshaveauniquehollowshapewithtwoindependentcoolantchannels,one

insideandoneoutside,allowingfordouble-sidedcoolingandimprovedcoolingperformance.

Thisenablesasignificantincreaseinpowerdensitywhilemaintainingasafetymargin,reduces

coreweight,andmakesthemsuitableformarinenuclearpowerplants.Undertheinfluenceof

marineenvironment,thecoolantflowinsidethecoreisinatransientfluctuatingstate,which

directlyaffectstheflowdistributionofthecoolantchannelsinsideandoutsidetheannularfuel

assembly,andthusisrelatedtotheefficiencyofcoreheatremoval,threateningthesafetyofthe

nuclearreactor.Theflowdistributioncharacteristicsofthecoolantchannelsaredirectlyrelated

totheirresistancecharacteristics.Inordertoensurethesaf