Vol. 55 ,No. 6
Jun.202*
第55卷第6期202*年6月
收稿日期：2020-07-10；修回日期：2020-10-10
基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1967203)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(xzy022020019)
*通信作者：王成龙，张亚培
原子能科学技术
AtomicEnergyScienceandTechnology
绕丝结构对氮氙气体流动换热特性影响研究
陈思远，秦浩，王成龙*
*，张亚培*，张大林，秋穗正，田文喜，苏光辉(西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安710049)
摘要：在开放栅格式气冷空间堆堆芯的设计中，会在燃料棒上采用绕丝结构，这将对工质的流动换热特性
产生很大影响。本文采用CFD 方法开展了 H-Xe 混合气体在气冷空间堆典型带绕丝燃料通道内的流动 换热特性的数值研究，获得进出口温度、压力、流速及流体密度等参数的空间分布。结果表明引入绕丝使
得范宁摩擦因子出现大幅增加，部分绕丝结构会使努塞尔数降低20%〜30% ，且本文所研究5种绕丝结构 热工水力性能比均小于1%研究结果对于气冷空间堆堆芯热设计、提高系统的安全性具有重要意义％ 关键词：气冷空间堆;He-Xe 混合气体；绕丝;CFD ；热工水力特性
中图分类号:TL424 文献标志码:A 文章编号：1000-6931(2021)06-0991-09
doi ：10. 7538/yzk. 2020. youxian. 0479
Flow and Heat Transfer Characteristic of He-Xe Gas Mixture
with Helical Wire Structure
CHEN Siyuan , QIN Hao , WANG Chenglong * , ZHANG Yapei * , ZHANG Dalin , QIU Suizheng , TIAN Wenxi , SU Guanghui
(.School of Nuclear Science and Technology , Xian Jiaotong University , Xi an 710049 , China )
Abstract : In the design of the open grid gas-cooled space reactor core , the helical wires
areusedonthefuelrods !whichwi l havegreatinfluenceontheflowandheattransfer
characteristics of the working mass. In this paper , the CFD method was used to analyze ,heflowandhea,,ransfercharac,erisicsof He-Xegas mix,ure in an annulus wrapped
wi,hahelicalwireand,heimpor,andexpor,parame,ersspa,ialdis,ribu,ionssuchas ,empera,ure !pressure !flowra,eandfluiddensiywereob,ained.Theresul,sshow,ha,
,hein,roduc,ionofhelicalwiregrea,lyincreases,heFanningfricionfac,or !andsome helicalwires,ruc,ures wi l reduce,he Nussel,numberby20%-30%.Moreover !,he
,hermal-hydraulicperformancera,iosof,hefivehelicalwires,ruc,uress,udiedin,his paperarea l less,han1.Theresearchresul,sareofgrea,significance,o,he,hermal
designofgas-cooledspacereac,orcoreand,oimprove,hesafe,yof,hesys,em.
Keywords : gas-cooled space reac,or ；He-Xe gas mix,ure ；helical wire ；CFD ；,hermal-
hydrauliccharac,eris,ic
992
原子能科学技术 第55卷
大功率、长寿命的空间核反应堆电源对于 未来航天事业的发展至关重要，大功率空间核
反应堆电源与电推进的结合也将逐渐成为未来 航天探测的重要方向之一E 。目前，国外针对 气冷空间堆的研究已取得实质进展，美国于
2003年提出气冷空间堆研发计划——普罗米
修斯计划俄罗斯于2009年提出了 MW 级 空间核动力系统计划3 ，在气冷空间堆的研究
中处于领先地位％而国内关于气冷空间堆的研
究尚处于起步阶段，因此气冷空间堆的相关关 键问题亟待解决％在空间反应堆系统当中，与
地面布雷顿循环不同4 ，对结构尺寸、质量要求 极其严格，通常会选择采用He-Xe 混合气体冷
却的直接布雷顿循环5%这是因为相比氦气，
He-Xe 混合气体在压气机体积质量方面具有
明显优势，但He-Xe 混合气体的普朗特数在众
多气体工质中非常低，其流动换热特性与传统 气体工质相比差别较大％开放栅格式气冷空间
堆堆芯设计中，燃料棒和控制棒由上下栅格板 及缠绕在其包壳上的绕丝定位，堆芯和反射层
均采用He-Xe 混合气体冷却％绕丝结构可防 止燃料棒在高流速冷却剂冲击作用下的接触， 且会使工质的流速及流道内摩擦压降增大，对
工质的流动换热特性产生较大影响％因此，探
究He-Xe 混合气体在流道内的对流换热特性
对空间堆的设计与优化具有基础性与全局性的
意义％
(4)
式中：S M .S^.S W 为3个动量方程的广义源项;
'为流体动力黏度，Pa ・s ；$为压力，Pa ；为流
体第2分子黏度;！为速度矢量,m ・s -1 %
能量守恒方程为：
（（0） m （（%0） m （（%O ） m （（%O ） —（t M （q 十（y M （k =
He-Xe 混合气体的流动换热特性相关研
究中，李智等6对氦气与氙气的特性进行分析，
建立空间布雷顿循环模型分析不同的He-Xe 混合气体成分对布雷顿循环的综合影响；李杨
柳等7建立He-Xe 混合气体冷却反应堆的单 通道模型，实现对环形、圆管流道的分析计算#
Taylor 等8进行了 He-Xe 混合气体在圆管内
流动换热特性的实验研究，得到多组壁温与主 流温度随加热段长度变化的数据％绕丝结构相
reactor technology
关研究中，Sreenivasulu 等⑷采用数值模拟的 方法，研究圆管内绕丝对水的流动换热特性影
响，给出强化换热评价因子；Raza 等）0*对不同 绕丝结构对燃料组件的影响进行了相关研 究％以上研究对液态金属堆绕丝结构的研究 较多，但目前尚未探究燃料棒上绕丝直径和 螺距等结构参数对He-Xe 混合气体热工水力
特性的影响，对气冷空间堆系统安全性的提 升造成了阻碍％
本文针对绕丝结构对He-Xe 混合气体流 动换热特性的影响，通过参数化建模与数值求 解进行分析研究，分析绕丝螺距、直径对He-Xe 混合气体流动换热特性的影响％
1数学物理模型
1. 1控制方程
在本文研究的环形通道中，反应堆工作期 间，工质所有的流动均为单相流动的情况％对
于单相流体，其质量、动量和能量的守恒方程 如下％
质量守恒方程为：
% , （（5） |
I （）
'十 （q 十
十
(1)
式中：％为流体的密度，kg • m -3 ； t 为时间，s ；
u 、7、L 分别为x.y.z 方向的速度分量,m + s —1 %
动量守恒方程为：
((
U
)+ div (
u U ) = div(?ygrad u ) M S u —($
(2)
(
t
)+ dig %!) = dv "grad&) M S v — ($
(3 )
' M d iv (%l !) = div(?ygra d w ) M S L — (^
(5 )
6)
(7
)
第6期陈思远等：绕丝结构对氦氙气体流动换热特性影响研究993
—p divU+div"gad T)+①+S h(8)
耳侥)2+(斜2+怪)]+|
(9)式中/为流体比焓，J・kgT#4为温度，K；A为流体导热系数，W・(m・K)T；S h为内热源,W・m-3%
@2模拟对象
图1示出含绕丝结构环管的物理模型％其物理结构是一同心圆柱空腔，其内壁绕有1圈绕丝，内壁即为燃料棒的外表面，内壁与外壁之间是H-Xe混合气体工质的流道%
图1含绕丝结构环管的物理模型
Fig1Physicalmodelofannulus
wrapped with helical wire structure
绕丝与内壁的尖端接触会导致模型复杂性增加，通过将绕丝边缘接触近似为1个螺旋平面可有效改善这一现象「山，本文中将其接触宽度限定在0.03D w以内，如图2所示%为探究绕丝直径与绕丝螺距变化对
工质流动换热产生
图2绕丝与内壁接触部分简化几何结构Fig2Partsimplifiedgeometryofhelicalwire
incontactwithinnerwa l 的影响，选取5组几何参数进行建模，几何模型的尺寸比例列于表1%
表1模型的几何参数
Table1Model geometric parameter
d o/d P/d Dw/d
1.830.300.3
1.818.180.3
1.89.090.3
1.830.300.25
1.830.300.15
@3网格划分及敏感性分析
本文根据物理模型建立含绕丝环管结构性网格，其放大视图如图3所示，且网格质量均大于0.6，符合计算的要求％
图3含绕丝环管放大视图
Fig3Enlarged view of annulus
wrapped with helical wire
网格敏感性分析时，分别针对轴向网格层数与横截面网格数进行分析，计算结果如图4所示，最终选定轴向网格层数为80，横截面网格数为6052，网格总数约为48万％
1.4模型验证
本文用于模型验证的实验来源于Tayler 等瓦所做的H-Xe混合气体在圆管内的流动换热实验。圆管内径D为5.87mm，外径为6.43mm。实验区域如图5所示，可分为入口绝热段和加热段两部分，入口绝热段长度为56倍内径，加热段长度为60倍内径％加热段采用电加热来获得持续、恒定的热流量％本文分别利用—湍流模型与SST—湍流模型进行数值模拟，采用质量流量入口与压力出口，在入口处规定流体温度，绝热段壁面为绝热边界，
加热
994
原子能科学技术 第55卷
328
320
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
轴向网格层数
3 000
4 000
5 000
6 000
7 000
8 000
横截面网格数
图4网格敏感性分析
Fig. 4 Mesh sensitivity analysis
段壁面为均匀热流边界％采用SIMPLE 算法
进行求解，离散格式选择二阶迎风格式％图5
中（为热流密度，W/m 2 ；C 为常数；T m 为入口 温度，K ；W in 为入口质量流量，kg/s ； A ut 为出口 表压，Pa 。
最终模拟结果与实验数据的对比如图6所 示，图6中横坐标Q"表示加热段起点至该点
的距离与圆管内径之比。由图6可见，总体上 模拟值与实验值符合良好，但由于出口效应的
图5实验段示意图
Fig.5 Schematic diagram of experimental section
存在，在接近出口处误差相对较大％在忽略临 近出口的实验段后！花模型模拟值的相对误差
1 40012001 000
笆800
600400200
900
800700M 600
500400
300
0 10
20 30 40 50
x/D
•壁温实验值
a
-▲主流温度实验值
—
—总壁温模拟值 T
1 000900
800700口 600
500400
300
「：熬緞验值 t b
—
—滋壁温模拟值0 10
20 30 40 50x/D
-一总壁温模拟值
：验值0 10 20 30 40 50
a -------实验 1;
b -------实验 2 ；
c -------实验 3 ；
d -------实验 4
图6主流温度与壁温的实验值和模拟值对比
Fig.6 Comparison of experimental and simulated values of main temperature and wa l
temperature
第6期陈思远等：绕丝结构对氦氙气体流动换热特性影响研究995
在5%以下，具有较好的模拟效果，优于SST T*模型％基于此，本文选择模型来预测不同绕丝螺距、直径对He-Xe混合气体流动换热特性的影响％
1.5计算参数设置
为保证计算结果与实际相符且有意义，本文结合大功率气冷堆的研究背景，规定雷诺数范围为10000〜50000。同时，现有的气冷空间堆设计中，气体的出口温度最高可达到1500K，过高的温度会使包壳材
料受损，因此规定堆芯出口气体温度不高于1200K，相应的壁面温度不超过1800K。根据相关计算，内壁热流量为60kW/m2，入口流速为10〜27m/s，初始表压为1.5〜2.5MPa。
边界条件的设置列于表2，假设所有边界均为无滑移边界，环管外壁为绝热边界，内壁施加均匀热流。同时为简化计算，假设绕丝与内壁接触表面的温差可忽略不计。因此，施加在内壁上的热流量同样适用于绕丝表面。
表2边界条件
Table2Boundary condition
边界边界条件
外壁面绝热边界
内壁面均匀热流边界
绕丝均匀热流边界
环管入口质量流量入口
环管出口压力出口
在气冷空间堆中，推荐使用摩尔质量为40g/ mol的He-Xe混合气体作为工作流体[5]，其传热系数与氦气相当，且根据反比定律，平均分子量为40的He-Xe混合气体相对于分子量约为4的氦气，压气机级数可减少为10%。物性参数选取上，本文根据对应态原理，且考虑到物性对压力不敏感，为简化计算，将其拟合为温度的函数)2。He-Xe混合气体物性参数列于表3。表3中：c”为比定压热容，J-(kg-k)-1；为导热系数，W•(m+k)-1$为动力黏度，kg+ (m•s)—1-,M为摩尔质量，g•mol—1。
1.6数据处理
为定量评估所研究流道内的摩擦阻力，采用范宁摩擦因子/进行评价。
表3HeXe混合气体物性参数
Table3Physical parameter of He-Xe gas mixture 参数参数值
p,kg•m3按理想气体处理c$,J•(kg•k)1519.49
；W•(m•k)10.02247+1.5291X104T—
2.385X108T2
$!kg•(m•s)1 5.5634X10d6+7.4578X10d8T d
1.4205X10d11T2
M,g•mol140
f=(2%<c)/(<72)(10)式中：△”为进出口摩擦压降,Pa<c为特征长度,m<；为流道长度,m；7为流体速度,m•s-1。
本文中He-Xe混合气体因在流道内被加热，体积会发生显著膨胀，导致气流明显加速。因此除气体的摩擦压降外，还存在因体积改变而产生的加速压降。摩擦压降△”为：%”—”n—如—%{T ou—T'n M ln”9
(11)式中：为入口压力，Pa；”gt为出口压力，Pa；G为质量流密度，kg•(m2•s)-1；为气体平均密度，kg-m-3;T out为出口温度,K；T为进出口平均温度，K。
通过数值模拟得到了光滑环管和含绕丝环管的进出口压降后，进行范宁摩擦因子的比较时，选择外径、内径之差作为含绕丝环管的特征长度。
为定量评估引入绕丝后对流换热强烈程度，选择努赛尔数Nu进行评价。
Nu=(12)式中，为对流换热系数，W/(m2•C)。
强化传热有大量的性能参数进行表征，其中热工水力性能比是在相同的流量下，选择使用增强型表面和参考表面之间的导热率比值(Nu w—Nu)/(f w—f))作为量化增强型表面的性能参数。
2含绕丝环管内的氮氙混合气体流动换热特性
2.1流动特性
表4列出引入绕丝引起的流速变化。引入
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