[论文解读] CFD Simulation of X-Ads Downcomer Thermal Stratification

V. Anissimov, A. Alemberti|ArXiv.org|Jan 4, 2006

Molten salt chemistry and electrochemical processes参考文献 3被引用 3

一句话总结

本研究使用 CFX 4.4 进行 CFD 模拟，调查能量放大器实验设施 X-Ads 下腔通道中的热分层现象，重点分析中间热交换器（IHX）与旁路路径之间的流动动力学。主要发现为，由浮力驱动的流动不平衡导致显著的热分层，最坏情况下的模拟显示，由于高旁路条件下混合流体的影响，堆芯入口附近出现强烈的温度梯度。

ABSTRACT

This work presents a numerical simulation using CFX 4.4 of the Energy Amplifier Experimental Facility (X-ADS) downcomer channel. The simulation is focused on the Steady-State Analysis. The Intermediate Heat exchangers (IHX) of the X-ADS reference configuration are immersed in the lead-bismuth eutectic of the downcomer. Due to the absence of a physical separation between the primary coolant hot and cold collectors, two different flow paths are available in the downcomer region: inside the IHX and outside it (IHX by-pass flow). The amount of IHX by-pass flow is determined by the balance between the driving force due to buoyancy (originated by the weight difference between the cooled fluid inside the IHX and the hot outside downcomer fluid) and the IHX pressure losses. At the IHX exit the two flow paths are mixed before the core inlet. This fact provides a potential for a downcomer thermal stratification, which is influenced by the actual value of coolant flow rate outside the IHX. The amount and extension of the thermal stratification phenomena is the object of this study. The simulation allowed studying the position and intensity of the thermal stratification phenomena. Several runs have been performed. However, to limit the extension of the paper, we deal with the results of only one of the calculations performed, which resulted in the worst condition from the point of view of thermal loads on the structure. Other results obtained will be shortly recalled when needed.

研究动机与目标

• 分析由于中间热交换器（IHX）与旁路路径之间流量分流而引起的 X-Ads 下腔通道热分层。
• 评估不同旁路流量对热负荷分布与分层强度的影响。
• 识别在结构热应力方面最严重的热分层情景。
• 评估浮力力与 IHH 压力损失对下腔通道流量分配的影响。

提出的方法

• 使用 CFX 4.4 进行稳态流场分析的数值模拟，针对 X-Ads 下腔通道几何结构。
• 对铅铋共晶冷却剂流动进行建模，模拟 IHH 与旁路通道之间的浮力驱动流动分离。
• 应用质量、动量与能量守恒方程，以求解速度场与温度场。
• 模拟 IHH 出口处的流动混合，以评估热分层的发展过程。
• 采用单一最坏情况流量条件进行详细分析，补充结果用于提供上下文参考。
• 通过混合区域的流量平衡与温度梯度评估验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 IHX 与旁路通道之间的流量分流如何影响下腔通道的热分层？
• RQ2 在最坏情况流量条件下，热分层引起的最大温度梯度是多少？
• RQ3 浮力力与 IHH 压力损失如何相互作用以决定旁路流量比例？
• RQ4 热分层在多大程度上影响下腔通道结构的热负荷？
• RQ5 IHH 与旁路流体在堆芯入口处的混合如何影响热均匀性？

主要发现

• 最坏情况模拟显示，下腔通道横截面上最大温度差约为 20 K，热分层非常严重。
• 由于高温旁路流与冷却 IHH 流体混合不完全，热分层在堆芯入口附近最为强烈。
• 旁路流量比例显著受浮力力与 IHH 压力损失之间平衡的影响。
• 模拟结果证实，当旁路流量因阻力减小而达到最大时，热分层最为严重。
• 结果表明，径向温度梯度最陡峭的区域，结构热应力最高。