《Nuclear Engineering and Design》：PIV study on subchannel cross-flow characteristics in 19-pin wire-wrapped bundle channels
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CiADS系统燃料组件中横向流速分布规律及壁面效应研究，通过PIV技术揭示19针组件内余弦型流速分布与雷诺数无关特性，并建立新型混合模型准确预测不同尺寸组件的横向混合行为，为核废料转化装置热工设计提供理论支撑。
李荣杰|朱武坤|强成文|何明翰|王瀚|刘 Lu|王思成|范大俊
中国科学院近代物理研究所，兰州 730000，中国
摘要
中国加速器驱动系统（CiADS）在长寿命核废料的嬗变和核燃料的高效利用方面具有重大潜力。了解反应堆燃料组件内的冷却剂流动特性对于确保核设施的安全和经济运行至关重要。在本研究中，构建了一个可视化液压实验平台来研究CiADS燃料组件内的流速分布。利用粒子图像测速技术，系统地研究了19针线缠绕燃料组件内子通道界面处的横向流速分布。结果揭示了子通道界面处归一化横向流速的明显余弦型分布，关键流动特征表现出对雷诺数的强独立性。值得注意的是，壁面诱导的不对称性改变了子通道与侧壁子通道界面处的这一分布。开发了一种新的横向混合模型，该模型与实验数据高度吻合，证实了其预测线缠绕束中子通道间混合的能力。这项研究进一步证实了线缠绕对横向流动的周期性扰动特性，并为预测不同尺寸线缠绕束的归一化横向流速提供了理论基础，从而加深了对棒束内横向混合机制的理解。
引言
作为第四代核能技术的代表，铅冷快堆（LFR）在中子经济性和固有安全性方面具有优势。它被选为中国加速器驱动系统（CiADS）的核心反应堆类型，在核废料嬗变中发挥着战略作用（吴等人，2016年；肖等人，2017年；顾和苏，2021年）。燃料组件的热液压性能直接影响反应堆的安全性和经济效率，而冷却剂流动特性是设计优化中的关键因素。线缠绕结构是一种创新的燃料组件设计，它使用螺旋线精确定位燃料棒并诱导冷却剂的周期性横向流动。这打破了轴向热边界层，显著增强了包壳表面的对流热传递，降低了燃料温度梯度。因此，它为提高反应堆功率密度和运行安全性提供了关键技术支持。横向横流的特性表征对于线缠绕棒束的热液压设计和安全分析至关重要，因为它直接决定了堆芯的热量再分布和热点温度。
赵等人（2017年）基于OpenFOAM平台进行了计算流体动力学（CFD）模拟，研究了7针线缠绕束的横向流动特性。他们的研究结果表明，尽管雷诺数对流动模式的影响相对有限，但线缠绕结构的几何参数在影响流动行为方面起着更重要的作用。Park等人（2018年）提出了一种新型的U形线缠绕间隔器布置，旨在优化冷却剂混合特性。这种配置将7根燃料棒分为一个单元组，中间棒没有线缠绕，周围六根棒交替缠绕有线缠绕。CFD分析证实，这种设计提高了混合效率和平流均匀性，与传统线缠绕布置相比，最大温度区域降低了约30°C，流动压降降低了约10%。赵等人（2020年）使用CFD对7针线缠绕束进行了液压分析，探讨了不同燃料通道形状对压降、横向流动和子通道流动分布的影响。林等人（2021年）利用SST k-ω湍流模型和商用CFD软件研究了线缠绕量对7针束流场的影响。结果表明，增加线缠绕的数量会导致更大的压差。然而，由于压力分布不均而产生的规则涡流促进了流动混合，这对燃料组件中的对流热传递是有益的。吴等人（2024年）在OpenFOAM平台上开发了四参数泡沫求解器，将SST k-ω湍流模型与代数热通量模型（AHFM）相结合，提高了铅铋共晶（LBE）热传递模拟的准确性。与垂直管道流动实验数据的验证表明，AHFM模型比简单的梯度扩散假设模型更准确地反映了湍流普朗特数的条件敏感性。进一步使用19针线缠绕束进行的实验表明，该模型能够精确捕捉复杂的流场，将加热棒表面的最大温度梯度降低了30°C，并准确描述了子通道的热发展。
Sato等人（2009年）使用2.5比例的7针束水模型。他们利用粒子图像测速（PIV）测量了被三根线缠绕燃料棒包围的内部子通道内的详细速度分布。结果表明，在燃料棒之间的狭窄垂直速度分布中，线缠绕降低了下游速度，并在燃料棒和导线之间产生了不对称的流场分布。Nguyen等人（2017年）结合折射率匹配（RIM）光学测量技术和PIV，在雷诺数为1900的条件下观察了61针六边形线缠绕组件的近壁流动特性。Goth等人（2017年）在61针线缠绕束的两个内部子通道位置进行了PIV和粒子跟踪测速（PTV）测量。所有测量都在雷诺数为19,000的湍流条件下进行。从PIV/PTV矢量场计算了平均速度场（轴向和水平方向）和雷诺应力。Nguyen等人（2018年）使用RIM和PIV技术对61针线缠绕束内的流动特性进行了实验研究。在雷诺数为500、2500和6300的条件下，对交叉流平面进行了PIV测量，涵盖了靠近腔壁的内部和边缘子通道。PIV结果显示，峰值速度幅度出现在边缘子通道中，表明壁面对交叉流平面流动对称性的影响。由于线缠绕的存在以及边缘子通道靠近壁面的位置，在雷诺数为500时，边缘和内部子通道中心的平均速度分布较为平坦。Bertocchi等人（2019年）使用高分辨率PIV实验系统研究了雷诺数范围为4990–16,330的7针线缠绕束中的流动演变，揭示了不同雷诺数条件下二次流动结构的演变特性。Song等人（2020年）测量了19针束内的湍流强度、压降和局部速度场，并将结果与基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程的CFD模拟进行了比较。结果表明，在测试段雷诺数约为13,800时发生了流动状态转变。在雷诺数范围为15,000至17,000的条件下进行的PIV测量确定了边缘和内部子通道的速度场。比较显示，CFD模拟在特定流动特性方面与PIV测量结果一致。Zhang等人（2020年）建立了一个基于RIM和PIV技术的快堆燃料组件内部流场的可视化实验研究系统。他们实验研究了雷诺数Re = 6500时7针线缠绕束不同子通道中的流动特性。研究得出结论，螺旋线缠绕结构有效抑制了轴向流动的发展，同时增强了横向流动混合效果。Wang等人（2023年）使用PIV和RIM技术开发了一个用于7针线缠绕束横向流动特性的可视化实验研究平台。他们系统地探讨了雷诺数Re = 3000、6000和9000三种代表性条件下的雷诺数对横向流动特性的影响。Li等人（2023年）使用PIV和CFD模拟研究了7针束流通道中的速度分布和交叉流特性。他们分析了雷诺数从1250到5000的xz平面以及雷诺数为1500和2500的xy平面的情况。Wang等人（2025年）使用PIV表征了CiADS液态金属冷却快堆中7针和19针线缠绕束的流场结构。关键发现显示，内部子通道界面处的峰值横向速度达到了40%，显著超过了内部到周边界面的20%峰值。
总之，大多数实验研究都集中在棒束组件特定子通道内的流动特性上。虽然之前关于7针和61针束的PIV研究提供了宝贵的见解，但中等尺寸束（特别是代表性的19针配置）的缩放效应和流动机制仍不够清楚。本研究通过提供19针束的高分辨率PIV测量填补了这一空白，不仅揭示了横向流速的普遍余弦型分布及其对雷诺数的独立性，还量化了通道壁引起的显著不对称效应。此外，这项工作的关键创新在于开发了一种稳健的横向混合模型，能够准确预测交叉流行为，为子通道代码验证和束设计优化提供了重要工具。
实验部分
实验回路
实验主要在可视化液压实验平台（VHELP）上进行。图1展示了（a）示意图、（b）3D CAD模型和（c）实际实验装置的照片（Fan，2021年；Fan等人，2021年）。VHELP平台包括三个主要组成部分：主回路、次回路和实验部分。在主回路中，工作流体由泵1推动，依次通过热交换器、储罐2、过滤器和流量计
实验结果与讨论
图5展示了19针束XZ平面内成像平面的空间定位和命名。根据激光束的Y轴坐标，测量平面被标记为1至5。每个平面测量区域在穿过燃料棒直径和螺旋线间隔器时保持与XZ参考平面的平行性，从而在束的横向截面之间建立了精确的几何对应关系。
对于19针线缠绕束，
结论
本研究使用PIV测量研究了线缠绕棒束内的横向流动，并得出以下结论：
1)在内部子通道界面处，归一化横向速度在0.2H和0.7H的位置达到最大值和最小值。这些位置对应于最强的横向流动，并且与雷诺数无关。
2)在左侧内部到侧壁子通道界面处，由于壁面效应，
CRediT作者贡献声明
李荣杰：撰写——原始草稿，研究，数据管理。朱武坤：撰写——原始草稿，可视化，数据管理。强成文：软件，方法论。何明翰：研究。王瀚：撰写——审阅与编辑，方法论。刘 Lu：资源，形式分析。王思成：资源，资金获取。范大俊：撰写——审阅与编辑，项目管理，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了大型研究基础设施中国加速器驱动系统（编号：2017-000052-75-01-000590）和基于CFD和PIV的线缠绕燃料束子通道横向混合模型研究（编号：2023A1515110809）的支持。
