含格架棒束通道内两相流相界面特性数值模拟研究
摘要
两相流动是核电领域中的常见问题，关系到反应堆组件内部的流型和传热效率，是
决定反应堆安全裕量和热工水力性能的重要因素。由于棒束通道结构复杂、子通道间的
二次流动强，两相之间的相对运动以及界面容易扭曲，两相流的流动特性极为复杂。因
此，这些设备的安全运行和高效率需要弄清楚流动阻力特性、临界热通量、传热特性等。
这些关键特性均与相分布特性有关。定位格架是压水堆燃芯的关键部件，很大程度上决
定了燃料组件的热工水力性能。定位格架不仅对燃料棒有定位、夹持和支撑的作用，而
且可以搅混流过格架的冷却剂，进而增强换热性能。定位格架的性能优劣直接对堆芯的
热工水力特性造成影响。
本文对不含格架棒束通道内的两相流动开展CFD数值模拟研究，对通道内空泡份
额、相界面浓度等相界面参数的沿程特性进行分析。研究结果表明，在不含格架棒束通
道中不同气相表观流速的工况下，空泡份额沿流动方向的变化规律基本一致，大致可以
分为四个阶段：气相进入棒束通道后，随着流动的逐渐发展，呈现出不太明显的壁峰型
分布；伴随着流动的逐渐发展，逐渐由不太明显型的壁峰型转换到单核的非常明显的核
峰型；流动进一步发展后，气泡逐渐向近壁面进行聚集，但是峰型仍然是核峰型，此时
表现出的核峰型为双核的核峰型；流动进一步发展后，气泡逐渐从子通道移出，空泡份
额的变化幅度随之降低，核峰型变得不太显著。并且这四个阶段演化的距离长短大致相
同。
为了探究格架的作用机理，本文针对含格架棒束通道内的两相流动开展了CFD数
值模拟研究，分析了格架下游的气泡尺寸分布、气相分布以及两相流动的流场。研究结
果表明，格架造成的压降损失随着气相表观流速的增加逐渐增大，弹簧比钢凸会造成更
大的压降损失。而且格架显著增加了轴向液速。在相同表观液速的情况下，对轴向液速
的增加程度随着气相表观流速的增加逐渐增大。随着气相表观流速的增加，二次流和空
泡份额的不均匀度的耗散距离逐渐增加，格架对空泡份额的增加幅度随着气相表观流速
的增加逐渐增大。在本次研究所采用的工况中，格架对气泡的作用效果以破裂为主。1
关键词：棒束；格架；数值模拟；泡状流；空泡份额；相界面浓度
本研究得到国家重点研发计划（编号：2019YFB1900702）的资助
含格架棒束通道内两相流相界面特性数值模拟研究
Abstract
Asacommonprobleminthefieldofnuclearpower,two-phaseflowisrelatedtotheflow
patternandheattransferefficiencyinsidethereactorcomponents,andisanimportantfactorin
determiningthesafetymarginandthermalandhydraulicperformanceofthereactor.Duetothe
complexstructureoftherodbundlechannel,thestrongsecondaryflowbetweenthesub-
channels,therelativemotionbetweenthetwophasesandtheeasydistortionoftheinterface,
theflowcharacteristicsofthetwo-phaseflowareextremelycomplex.Therefore,thesafe
operationandhighefficiencyoftheseequipmentrequirestheclarificationofflowresistance
characteristics,criticalheatflux,heattransfercharacteristics,etc.Thesekeycharacteristicsare
relatedtophasedistr