《Annals of Nuclear Energy》：Numerical investigation of thermal-hydraulic behavior in LBE-Cooled fast reactor assembly under ocean conditions via UDF-Enhanced CFD model
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•通过将附加力模型和湍流普朗特数模型耦合到 CFD 求解器中进行了二次开发。•通过比较实验数据和模拟数据，验证了二次开发模型能够合理地模拟海洋运动。•分析了翻滚和升沉运动下 LBE 组件中主通道、侧通道和角通道的流动和传热特性。•翻滚主要影响侧通道，而在相同周期下，随着翻滚角
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通过将附加力模型和湍流普朗特数模型耦合到 CFD 求解器中进行了二次开发。
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通过比较实验数据和模拟数据，验证了二次开发模型能够合理地模拟海洋运动。
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分析了翻滚和升沉运动下 LBE 组件中主通道、侧通道和角通道的流动和传热特性。
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翻滚主要影响侧通道，而在相同周期下，随着翻滚角度的增加，角通道的温度波动变得更加明显。
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升沉运动主要影响主通道。与升沉运动相比，翻滚运动对流体流动和传热的影响更为显著。
引言
LBE 结合了高密度、高热导率和高沸点以及低熔点的特点，但也带来了材料腐蚀等挑战（Feng et al., 2024）。作为一种冷却剂，它提供固有安全性、快速的瞬态响应和强大的自然循环能力，有助于高温反应堆运行并降低事故概率。随着实验和数值模拟的不断精细化，许多研究人员对液态金属流动和传热进行了数值研究。Pacio 等人（2014, 2016, 2017）对 LBE 冷却的 19 棒束进行了流动和传热实验，获得了压降、子通道温度、传热系数和热点特性的数据。他们还使用 SST k-ω 模型对 MYRRHA 燃料组件进行了 CFD 研究。基于 LBE 冷却棒束的实验数据，Zhou 等人（2023）利用 CFD 方法研究了不同六角棒束构型的对流传热系数，以及不同子通道中的壁面和流体温度。Dong 等人（2025）将 SST k-ω 或雷诺应力模型（RSM）与 Cheng–Tak 或 Kays 湍流普朗特数模型相结合，预测了缠丝和翅片棒束通道中的近壁温度、通道间流动和热点行为。Qi 等人（2026）针对 LBE 冷却棒束的实验数据，验证了源自 Lyon–Martinelli 关联式和经验 Nu-Pe 关联式的湍流普朗特数模型的准确性。
凭借集成设计和模块化紧凑性的优势，LBE 冷却反应堆技术逐渐从陆地转向海洋应用，在海洋工程领域展现出广阔潜力（Cheng and Tan, 2019）。图 1 展示了多维海洋运动，这些运动对核反应堆内的冷却剂施加了附加力，影响其流动和传热性能，从而阻碍反应堆正常运行。因此，有必要研究海洋运动下 LBE 冷却组件的热工水力特性。
许多研究人员进行了实验以研究海洋条件下反应堆的热工水力特性。Liu 等人（2023b, 2024b）实验研究了倾斜和翻滚条件下圆管内 LBE 的流动和传热特性。他们发现倾斜会增加流体温度并增强局部传热能力，且倾斜效应随流量增加而减小。翻滚运动导致压降和流量波动，并在低流量下增加 LBE 的摩擦阻力。Zhao 等人（2023）实验研究了升沉运动对强迫循环下 LBE 流动阻力和传热特性的影响。他们发现升沉运动会导致回路流量产生小幅波动，但对传热能力影响甚微。
数值模拟方法也常用于研究海洋运动。Han 等人（2024）和 Yin 等人（2024）开发了一个海洋条件下液态金属冷却快堆的子通道程序，并研究了海洋条件下几何效应对棒束组件的影响。Behzadi 等人（2022）基于 DMF 方程开发了翻滚条件下的子通道热工水力程序，并研究了此类条件下横向流速对流动波动的影响，表明在相同翻滚周期下，翻滚幅度越大，质量流量波动越明显。Wang 等人（2022）使用二次开发程序 RELAP5/MOD3.1 分析了海洋条件下 10 MW 自然循环 LBE 冷却反应堆的非对称运动特性。Wang 等人（2017）扩展了 RELAP5 以建立适用于海洋条件的系统代码，并研究了海洋运动对集成式 IP200 反应堆自然循环特性的影响。Li 等人（2024）使用 CFD 研究了海洋条件下缠丝燃料棒组件中 LBE 的流动和传热特性，并分析了翻滚运动对二次流速度影响。Wang 等人（2021b）使用 STAR-CCM+ 软件分析了翻滚条件下带栅格的棒束的传热特性。他们发现不同的热通量对进出口压差影响较小，但对传热系数有显著影响。Gong 等人（2023）对海洋条件下三维全尺寸反应堆内的流体流动进行了数值模拟，分析了多种运动对反应堆热工水力性能的影响。Liu 等人（2024a, 2025）将附加力模型纳入 ASYST 代码，以研究在多种海洋运动作用下自然循环条件下 FHR DRACS 的热工水力特性。他们还分析了 MK1 PB-FHR 中的失流事故，发现虽然海洋运动可能导致某些系统分支失效，但热工水力参数仍将保持在安全限值内。
目前，海洋条件下的 LBE 实验主要集中于圆管或简单回路。由于高温液态金属测量困难，LBE 棒束的公开实验数据仍然稀缺。子通道代码通常使用一维或准二维模型，并在轴向和横向动量方程中引入附加力项来表示海洋运动。虽然计算效率高，但这些模型无法完全捕捉棒束内的三维交叉流、二次流或局部传热特性。系统分析代码使用一维控制容积模型，通常简化横向流并忽略科里奥利效应。因此，它们分析不同位置子通道对海洋运动响应的能力有限。CFD 方法可以提供详细的三维数据场，但大多数相关研究侧重于整体热工水力参数。
本研究主要探讨海洋条件下 LBE 冷却组件的主通道、侧通道和角通道的流动和传热特性。后续研究采用了七棒束模型。与管模型相比，它包括主、侧和角子通道以及棒 - 壁间隙等几何特征，可以捕捉流量重新分布。与较大的棒束相比，其计算成本适中，适合海洋运动条件下的研究。除了本引言部分外，其余结构如下：第 2 节介绍附加力模型和湍流传热模型的理论，并验证 LBE 湍流传热模型的适用性。第 3 节通过与数值结果和实验数据的对比分析，验证了附加力模型模拟海洋条件的适用性。第 4 节探讨了海洋条件下 LBE 冷却组件的主子通道、侧子通道和角子通道的流动和传热特性。结论在第 5 节给出。
章节摘要
方法论
目前，海洋运动的模拟主要采用两种方法：附加力模型和动态网格方法。附加力模型通过在动量方程中引入附加力来模拟海洋条件的影响。相比之下，动态网格方法通过模拟移动壁面与流体之间的相互作用来捕捉整个运动过程。与动态网格方法相比，附加力模型具有更低的
模型验证
基于上述经过验证的模型，使用 CFD 求解器进行了计算。图 9 展示了计算流程，其中 CFD 求解器通过使用 UDF 进行二次开发得到了扩展。将模拟结果与实验结果和滑动网格模拟进行了比较，以证明模型的适用性。
几何模型
基于 Han 等人（2024）和 Yin 等人（2024）提出的液态金属铅组件以及 Luo 等人（2021）提供的推荐 P/D 范围，设计了一个 LBE 冷却的七棒束组件。图 14(a) 展示了组件的子通道编号，清楚地定义了主、侧和角子通道。图中，RTW 表示最外层燃料棒与组件壁之间的距离。表 4 展示了详细的设计参数和边界
结论
在本研究中，通过 UDF 实现附加力模型以扩展 CFD 程序的功能。通过将模型的预测值与滑动网格方法的数值结果和现有实验数据进行比较，验证了该模型。随后，研究了 LBE 冷却组件内不同子通道的流动和传热特性。主要结论如下：
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在不同的湍流普朗特数公式中，Cheng-Tak
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。
朱昱 | 张科凡 | 段文顺 | 董思凡 | 陈宏立
