新型栅元湍流流动及涡结构数值模拟.doc

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1、基金项目：国家自然科学基金资助项目（51206183）作者简介：肖红光（1987—），男，山东聊城人，博士研究生，从事反应堆安全分析和热工水力研究。新型栅元湍流流动及涡结构数值模拟肖红光，鄢炳火，陈文振（海军工程大学核能科学与工程系，武汉，430033）摘要：本文利用非稳态雷诺平均模拟（URANS）对非均匀壁厚新型栅元中的准周期性大尺度涡结构和湍流流动特性进行了模拟和分析。结果表明：新型栅元的对流换热能力优于传统栅元；增加周向角可以强化涡结构强度；随着周向角的增加，新型栅元摩擦阻力系数呈现先减小、后趋于恒定的变化趋势，而传热系数则会在达到极小值

2、后略有上升。关键词：新型栅元；涡结构；数值模拟；CFD中图分类号：TL33文献标志码：ANumericalSimulationoftheTurbulentFlowandtheVortexStructureinaNewLatticeXIAOHong-guang,YANBing-huo,CHENWen-zhen（DepartmentofNuclearEnergyScienceandEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China）Abstract:Thequasi-periodic

3、largescalevortexstructureandturbulentflowcharacteristicinanewlatticewithnon-uniformwallthicknessisinvestigatedwiththeUnsteadyReynolds-AveragedNavier-Stokes(URANS)method.Itisrevealedthatthenewlatticeismoresuperiortothetraditionallattice.Theincreasingofspanwiseanglecouldenhanc

4、ethevortexstructureintensity.Theresistancecoefficientdecreasesfirstlyandthenbecomestableasthespanwiseangleincreasing.Buttheheattransferwillincreaseslightlyaftertheminimum.Keywords:Newlattice;Vortexstructure;Numericalsimulation;CFD准周期性大尺度涡结构（简称涡结构）发现于上世纪七十年代，至今也一直是工程研究中的热点，这种

5、涡结构对棒束流道间的传热和流动特性有重要的影响。在棒束通道间，涡结构会随着P/D的减少而增强[1]。对于类似反应堆内棒直径D较小的栅元而言，减小P/D会增加制造难度并极易引发机械不稳定性，进而带来流动不稳定威胁[2]。鄢炳火指出涡结构的产生与横向涡量梯度有关，而增加横向涡量梯度可以通过设置非均匀壁面粗糙度和非均匀壁厚两种方法实现[3,4]。本文对具有非均匀壁厚的新型栅元内的流动和传热特性进行了研究，分析了棒束间的流场分布特征和流动传热变化规律。1计算过程本文所分析的栅元形状为无定位格架的三角形排列棒束（棒束可以是实心加热棒也可以是空心传热管），

6、计算域如图1阴影区域所示。计算域沿流动方向长度L=600mm，约为涡结构平均实验波长的4倍[5]，棒外径D=140mm，P/D=1.12。本文以非均匀壁厚周向角θ为分析对象，研究不同θ角对新型栅元内流动特性及传热特性的影响，图中θ和α之和为30º，ΔR与间隙区宽度δ之间的比值为50%，其中，δ=(P-D)/2。计算参数如表1所示。分析介质与文献[5]相同，均为空气。与直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）相比，非稳态雷诺平均模拟（URANS）不仅能够对涡结构和流场分布特征进行准确的模拟，且所需的计算资源不高[6]，因而本文选用URANS方法

7、对新型栅元进行分析。图1新型栅元示意图Fig.1Sketchofthenewlattice计算采用六面体结构化网格，经网格敏感性分析后，所生成网格数为496,800。在壁面区域，采用低雷诺数模型，第一层网格的y+不超过1.0。设置边界条件时，壁面设定为具有恒热流密度的无滑移壁面，同时设置三对周期性边界条件，分别为进、出口边界①—①和对角位子通道侧面边界②—②、③—③，如图2所示[3]，图中阴影部分代表加厚壁面。在数值计算中湍流模型采用雷诺应力模型（RSM），RSM是直接对Reynolds方程中的湍流脉动应力直接建立微分方程式并进行求解，其相对于

8、其他两方程模型而言采用了各向异性的湍流粘度来计算湍流应力，且该模型方程中定义了压力应变项Ф，对于湍流流动结构与湍动能分配具有重要影响，模型能够很好地对