非稳态条件下棒束通道边界层结构特性研究
摘要
受粘性的影响，冷却剂在棒束燃料组件近壁面会形成具有较大速度或温度梯度的边
界层。边界层内，特别是粘性底层流体的动量和能量输运较弱，是冷却剂与燃料组件流
动传热最主要的热阻。因此，边界层结构及其流动传热特性是决定燃料组件热工水力性
能的关键。非稳态流动和定位格架强扰动作用是影响边界层流动传热机制的重要因素，
本文通过分离定位格架强扰动作用和非稳态流动两种因素，基于充分发展区域棒束通道
边界层结构特性研究，针对非稳态条件下棒束通道边界层结构特性开展研究。
本文首先基于粒子图像测速技术（PIV）及激光诱导荧光技术（LIF）获得了稳态条
件下棒束通道边界层内的速度场及温度场分布，采用高速相机配合长焦微距镜头将空间
分辨率提高至10微米。将测量点拟合到Spalding公式首次以实验方式获得了棒束燃料
组件近壁面无量纲速度分布，定量分析了不同流动和传热条件下棒束通道边界层结构及
其流动传热特性。结果表明：随着雷诺数（Re）的增加，边界层内层的范围逐渐减小，
在边界层内层，随着Re的增加，粘性底层逐渐变薄，对数律层范围逐渐增大，棒束通
道流动传热性能得到增强。增加浮升力将会削弱流道内的湍流脉动，减小对数律层占边
界层内层的比例，导致棒束通道壁面附近的温度梯度减小，热边界层变厚，削弱棒束通
道流动传热性能。
进一步基于PIV技术针对定位格架下游四个典型位置的边界层结构开展可视化测
量，探究定位格架的强扰动作用对边界层结构的影响规律。结果表明：定位格架的强扰
动作用会减薄边界层内层的范围，影响边界层的发展，使流体提前进入湍流核心区。随
着距离定位格架高度的增加，强扰动作用逐渐减弱，边界层内层的范围逐渐增加。强扰
动作用会增强流道内的湍流脉动，削弱浮升力的影响，增强棒束通道内的流动传热性能。
随后基于TR-PIV技术针对非稳态条件下棒束通道边界层分布开展可视化测量，通
过控制变量，研究非稳态流动关键参数对边界层结构的影响规律。基于充分发展区域棒
束通道边界层结构特性研究，综合分析非稳态条件及定位格架强扰动耦合作用下对边界
层结构特性的影响，最终掌握非稳态条件下棒束通道边界层结构及其流动传热特性。结
果表明：非稳态流动引入的扰动会破环边界层的发展，大幅度减薄边界层内层，振幅越
大、周期越小，非稳态流动引入的扰动越大。在定位格架下游1倍水力直径（Dh）处，
强扰动作用相较于非稳态条件引入的扰动处于主导地位，强扰动作用叠加非稳态条件引
入的扰动进一步削弱了浮升力的影响，增强了棒束通道内的流动传热性能。
关键词：棒束通道；边界层；非稳态流动；定位格架；对数律层；粘性底层???
本论文受国家自然科学基金资助
非稳态条件下棒束通道边界层结构特性研究
ABSTRACT
Subjecttotheinfluenceofviscosity,thecoolantproducesaboundarylayerwithalarge
velocityortemperaturegradientnearthefuelrodwall.Intheboundarylayer,especiallyinthe
viscousbottomlayer,fluidmomentumandenergytransportareweak.Theboundarylayer
formsthemainthermalresistanceforheattransferbetweenthecoolantandthefuelrod.
Therefore,thestructureoftheboundarylayerandflowandheattransfercharacteristicsarethe
keytodeterminingthethermalandhydraulicperformanceofthefuelelement.Theunsteady
stateflowandthest