基于欧拉双流体模型的SIRIUS-3D全燃料组件沸腾流动模拟

《Nuclear Engineering and Design》：Boiling flow simulation of a SIRIUS-3D full fuel assembly using an Eulerian two-fluid approach

　　

本研究的主要目标是开发一种三维（3D）欧拉双流体方法，用于预测沸水堆（BWR）燃料组件中的沸腾流动。该方法从先前开发的二维（2D）轴对称PSI-CTU模型扩展而来，并将工作流体从制冷剂更换为72 bar下的水。据研究人员所知，这是首次将带有群体平衡模型（PBM）的欧拉双流体CFD方法应用于全尺寸燃料组件的沸腾流动模拟，并通过SIRIUS-3D实验的高分辨率三维空泡份额测量数据进行验证。数值方法基于Ansys Fluent 2023 R2求解器，并通过用户自定义函数（UDFs）实现。模拟采用了包含壁面沸腾模型、相间动量传递（如修正的Yoon升力模型）和传热传质模型的完整封闭框架。气泡直径由均匀多尺寸组（MUSIG）模型确定。首先，针对DEBORA实验进行了3D模拟，并与2D轴对称结果及不同类型的3D计算网格进行了对比验证。随后，对SIRIUS-3D实验在两种不同条件下进行了模拟：一种是所有棒束均加热，另一种是四根棒束不加热。模拟得到的空泡份额分布在多个轴向高度上与实验测量值进行了比较。结果表明，所提出的3D欧拉两流体方法能够合理预测全尺寸燃料组件内的复杂沸腾流动特性，尤其是在加热和不加热棒束配置下，均能捕捉到关键的径向和轴向空泡份额分布特征。该研究为BWR燃料组件的热工水力设计提供了强大的数值工具。

论文解读文章

研究背景与目的

在沸水堆（BWR）中，燃料组件内的沸腾流动对于热量传递和反应堆安全至关重要。然而，由于运行期间的高压、高温和强辐射环境，直接测量反应堆压力容器内部的局部流动特性极为困难。因此，数值模拟成为研究此类问题的关键手段。尽管传统的系统分析程序和一维通道模拟方法计算成本较低，但它们无法精确描述复杂的局部三维沸腾现象。相比之下，基于欧拉双流体方法的计算流体动力学（CFD）能够直接解析如棒束等复杂的三维几何结构，提供更详细的流场信息。然而，该方法的准确性高度依赖于相间动量、质量和热量传递的子模型，这些模型通常基于经验关联式。过去的研究表明，不同的子模型组合可能导致差异显著的预测结果，且误差补偿可能被掩盖。因此，针对全尺寸燃料组件，特别是利用高分辨率实验数据进行模型验证的研究显得尤为重要。

为解决上述问题，日本电力工业中央研究所（CRIEPI）开发了配备3D高能X射线计算机断层扫描（CT）成像的SIRIUS-3D水力回路，能够在燃料组件内任意高度进行高分辨率的空泡份额测量，为CFD模型验证提供了宝贵的数据集。本研究旨在将此前针对DEBORA实验开发的二维轴对称PSI-CTU模型扩展至三维，并将其工作流体从制冷剂R12更换为水（72 bar），从而实现对BWR燃料组件沸腾流动的预测。

主要关键技术方法

研究人员采用基于Ansys Fluent 2023 R2的欧拉双流体方法作为CFD求解器，并通过用户自定义函数（UDFs）实现了数值模型。关键方法包括：

1. 1.
   湍流模型：采用混合方法的k-ω SST模型，并结合Sato气泡诱导湍流模型。
2. 2.
   相间动量传递：包含基于Ishii-Zuber模型的拖曳力、修正的Yoon升力模型（其系数仅取决于空泡份额）、恒定系数的壁面润滑力以及Burns等人提出的湍流扩散力。
3. 3.
   气泡直径与群体平衡模型（PBM）：气泡直径由均匀多尺寸组（MUSIG）模型确定的索特平均直径（SMD）表示，其中气泡聚并采用Prince-Blanch模型，破碎采用Luo模型。
4. 4.
   壁面沸腾模型：采用非平衡沸腾模型。对于水（SIRIUS-3D实验），气泡脱离直径（BDD）和成核点密度（NSD）分别采用Kocamustafaogullari-Ishii关联式；而对于制冷剂R12（DEBORA实验），则使用修正的Tolubinsky关联式和Li等人的关联式。气泡释放频率（BDF）统一采用Cole关联式，气泡影响面积采用Del Valle-Kenning模型。

研究结果

3. 3D DEBORA 模拟

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  3D 网格与 2D 轴对称结果的对比：研究人员首先将3D模拟结果与之前发表的2D轴对称结果进行对比。结果显示，在细化的3D六面体网格上获得的径向空泡份额分布与2D结果吻合良好，验证了3D模型扩展的正确性。
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  不同类型 3D 网格的影响：通过对四面体、多面体和六面体三种不同类型3D网格的对比研究发现，模拟结果对网格类型不敏感，证明了所提模型在不同网格拓扑结构下的鲁棒性。

4. SIRIUS-3D 模拟

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  全棒束加热工况：在加热功率为600 kW/m2的条件下，模拟结果与SIRIUS-3D实验在多个轴向高度上的空泡份额分布进行了比较。研究表明，模型能够较好地预测中心子通道和角部子通道的空泡份额峰值和整体分布趋势。
• •
  含非加热棒的工况：在包含四根非加热棒的配置下（加热功率700 kW/m2），模拟成功再现了因非加热棒导致的局部空泡份额降低现象。与非加热棒相邻区域的空泡份额明显低于周围加热棒区域，这一关键特征与实验测量结果定性一致。

讨论与结论

讨论部分：研究指出，虽然模型能够捕捉到主要的沸腾流动特征，但在某些局部区域（如靠近非加热棒的区域）仍存在定量偏差。这归因于当前壁面沸腾模型中关于气泡脱离直径（BDD）和成核点密度（NSD）的经验关联式在高局部过冷度条件下的适用性限制。此外，升力模型和湍流扩散力模型也需要进一步优化以更好地匹配实验数据。这凸显了对各子模型进行独立验证的必要性。

结论部分：研究人员成功地将一个经过DEBORA实验验证的2D轴对称欧拉双流体模型扩展到了3D，并应用于BWR全尺寸燃料组件的沸腾流动模拟。通过与SIRIUS-3D实验的高分辨率3D空泡份额数据对比，验证了该方法的有效性。模拟结果合理地预测了全加热棒束和含非加热棒束配置下的空泡份额分布。该研究展示了所开发的3D欧拉双流体方法作为BWR燃料组件热工水力设计与安全评估工具的潜力，并指出了未来改进的方向，即需要发展更为精确和普适的壁面沸腾与相间作用力子模型。