球床规模对孔隙流动特性影响的CFD模拟研究_李健

第34卷第2期

2013年4月

文章编号：0258-0926(2013)02-0025-05

核动力工程

Nuclear Power Engineering

Vol.34. No.2 Apr. 2013

球床规模对孔隙流动特性影响的CFD模拟研究

李健1，宋小明1，鲁剑超1，李仲春1,2

1. 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610041； 2. 清华大学工程物理系，北京，100084

摘要：对不同规模的有序堆积球床结构进行建模，并使用计算流体力学（CFD）方法对球床孔隙通道内的单相流动进行数值模拟。球床结构的孔隙区域采用混合网格划分策略，球床的计算规模达到11层，共141个颗粒，能够较真实地反映较大规模球床内部的孔隙流动特性。同时考察了球床的规模大小对其孔隙流动以及床层流动压降的影响规律，获得不同径向规模体心堆积球床的阻力关系式。针对截面积较小的方形通道分析了边壁效应对孔隙流动的影响机理，并通过孔隙流道的沿程压降评估了球床入口/出口效应对床层阻力的影响范围。

关键词：球床规模；有序堆积；CFD；阻力特性中图分类号：TL352 文献标志码：A

1 引言

对球形燃料组件进行热工-水力分析和设计时，球床的流动阻力特性是关注重点[1]。目前，由于计算机软硬件的限制，球床堆堆芯还不能用计算流体力学（CFD）方法进行全尺寸模拟。目前，普通计算机能模拟的球床规模仅包含几十个小球[2~5]，因此，本文通过对不同径向规模的有序堆积球床片段的计算结果比较，筛选出具有代表性的球床片段，可以近似评估相同结构更大规模球床的流动阻力特性。

球床规模对床层流动压降的影响主要从两方面考虑：①由于管道壁面对球床颗粒的约束，使得边壁附近的颗粒排列相对比较规则，相比较球床内部的平均孔隙率，边壁附近的球床孔隙率较大，这样在球床径向规模较小的情况下，边壁效应会对球床的宏观压降产生较大的影响；②如果球床的堆积层数很少，那么球床的入口/出口效应可能会对球床的流动压降带来较为明显的影响。因此，针对这两方面的影响因素，本文将分别开展研究。

为体心立方堆积。球床的高度为20.32 mm，共11层。其中球床的第一层平面上相邻小球之间的中心距离为1.155dp（dp表示颗粒直径），第二层小球在第一层的基础上插空排列（图1）。

图1 体心立方堆积球床模型

Fig. 1 Model of Body Center Cubic Packed Bed

分别取6种不同规模的球床作为测试对象（表1），表中前3种（A1/A2/A3）球床片段存在被方形通道壁面截取而成的半球颗粒，这样能够使其壁面和内部的孔隙率保持一致，从而削弱球床边壁效应的影响。图2展示了球床片段A1/A2/A3和B1/B2/B3的正视图。

在堆积球床的骨架结构中，采用台阶连接模型（图3）对圆球颗粒之间的接触点进行了简化。研究表明：台阶细圆柱只占据了接触点附近流动滞止的狭小区域，不会对孔隙的局部流动造成明显的影响[6]。

2 CFD模型

2.1 几何模型

球床的约束几何体采用方形通道，堆积方式

收稿日期：2011-12-13；修回日期：2012-12-12

基金项目：核反应堆系统设计技术重点实验室运行课题（ZDSY-ZSYX-1012001）