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摘要液态铅铋共晶合金在新型燃料组件中不同鳍片缠绕方向的流动与传热特性研究表明，半圆形鳍片设计可提升15%传热系数，而压降影响较小。通过微分段和子通道分区方法分析，揭示了定向流动机制对传热强化的影响，并指出现有子通道分析程序不适用于此类几何结构，亟需开发新程序。
钱丽|蔡思伟|张胜才|刘学晨|张年梅|陈虎|曾贤|孙建创|蔡伟华
中国吉林省东北电力大学热流体科学与核工程实验室
摘要
本研究采用数值模拟方法，研究了不同燃料棒束肋片缠绕方向下液态铅铋共晶（LBE）合金在新型燃料组件中的流动和传热特性。通过微分段方法和子通道划分，获取了子通道和燃料棒的轴向及周向热工水力参数数据。研究结果表明，改变肋片缠绕方向对燃料组件的压降影响较小，而传热系数相比原始燃料组件提高了15%，这表明新型燃料组件有效增强了LBE在半圆形肋片棒束中的传热能力。进一步分析发现，改变肋片方向会导致LBE的流动方向一致，这种同向流动可以在保持传热系数（Q）为正值的同时增加二次流速度，从而减少旋转流的发生并提高传热能力。本研究为铅铋快堆燃料组件的设计及其热工水力特性分析提供了新的研究视角，这对铅铋快堆的结构设计及核反应堆的传热机制研究具有重要意义。
引言
铅铋冷却快堆（LFR）属于第四代核反应堆，采用LBE作为主要冷却剂，其高沸点使得反应堆核心出口处能够达到极高的温度。凭借优异的中子物理特性和高中子效率，LFR可以在大气压下运行（Chen等人，2025年），从而降低了高压失水事故的风险，并降低了 primary 循环设备的承压要求。此外，铅铋共晶（LBE）合金的高热膨胀系数和密度有助于自然循环的实现，其固有的化学惰性和较高的密度也提升了反应堆的安全性和可靠性。作为核心冷却剂，LBE的传热系数比熔盐或加压空气高出一个数量级甚至多个数量级，这使得 LFR 能够在较高的热流密度下运行。
对铅铋共晶（LBE）的研究最初由美国和苏联于1971年启动。然而，基于铅的冷却剂的腐蚀性问题最终导致了该研究的中断。随着减少温室气体排放和促进核不扩散需求的增加，以及抗腐蚀材料技术的进步，LFR的研究在20世纪90年代重新得到重视（Zhang等人，2020年）。目前，对铅铋快堆进行热工水力实验是一项重大挑战。国际上，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）已经开展了相关实验，并建立了两个实验回路：重金属系统技术（THESYS）和热工水力与ADS设计（THEADES）（Fazio等人，2015年）。为了研究LBE的流动和传热特性，提出了一种五步方法：1）湍流模型的实验验证（Lefhalm等人，2004年）；2）圆棒束的压降实验（Litfin等人，2007年）；3）圆棒燃料组件的传热实验（Pacio等人，2014年）；4）基于MYRRHA核心设计的19针线包裹燃料组件的传热实验（Pacio等人，2016年）；5）19棒束的流动阻塞实验（Pacio等人，2018年）。欧洲核能署（ENEA）的Brasimone研究机构建造了CIRColazione Eutettico（CIRCE）和Natural Circulation Experiment（NACIE）实验装置，用于对包含37棒燃料组件、19棒燃料组件和19针线包裹燃料组件的燃料组件进行热工水力实验（Mansani等人，2001年；Martelli等人，2015年；Piazza等人，2016年）。目前，尚未有关于半圆形肋片燃料组件中LBE的实验研究发表。在涉及液态金属的数值模拟领域，Wang等人（2024年）研究了圆棒燃料组件中液态锂的热工水力特性，他们评估了现有的流动和传热关联关系，并提出了新的关联公式，使努塞尔特数（Nu）的偏差约为4%。Zhou等人（2023年）通过CFD研究了7针、19针和37针圆棒中LBE的热工水力特性，提出的努塞尔特数关联公式的相对偏差小于20%。Yu等人（2023年）使用大涡模拟（LES）模拟了圆棒束中LBE的流动过程，得出结论：在湍流条件下，Cheng提出的努塞尔特数关联公式具有更好的拟合效果。为了提高LBE的热性能和湍流混合能力以及反应堆核心的传热能力，后续研究者设计了线包裹燃料组件、螺旋交叉燃料组件和花瓣形燃料组件的热工水力特性。Chai等人（2020年）基于Pacio设计的19针棒束实验进行了几何建模，提取了燃料棒的表面温度和子通道温度，实验验证的误差最大约为3%。在Chai的研究基础上，Sun等人（2020年）在棒束中加入了固体域进行数值模拟，使得子通道温度测量的误差与实验结果更为一致。Guo等人（2023年）研究了7针线包裹棒束中LBE的轴向流动引起的振动问题，计算了流体力的波动、振动位移和棒材的频率。研究表明，线包裹的存在导致上下迎风表面之间的压力差，从而引发流动引起的振动问题。Zeng等人（2022年）开发了一种螺旋交叉棒束结构，发现这种布置改善了冷却剂的混合效果，使得周向的速度和温度分布更加均匀。Sun等人（2024年）研究了采用花瓣形设计的燃料棒束的自然循环系统中的热工水力特性，修正了现有的努塞尔特数关联公式，适用于低雷诺数范围，偏差在-6%到3%之间。Wang等人（2023年、2025年）对LBE冷却线包裹棒束的流动诱导振动特性和PCHE通道中的LBE热工水力特性进行了数值模拟，发现不同子通道之间的压力分布特征明显不同，Z形通道中存在回流和负压现象，这些现象会影响传热能力，为铅铋快堆的局部设计提供了理论和数据支持。目前，关于使用水作为冷却剂的螺旋肋片燃料组件的数值模拟研究仅限于已发表的文献。Li等人（2015a）研究了不同棒束尺度对流动和传热特性的影响，发现19针棒束的冷壁效应较弱，与217针棒束相比偏差为13%，因此19针棒束不仅能有效反映217针棒束的热工水力性能，还能显著缩小棒束的尺寸。19针棒束可作为螺旋肋片燃料组件工程测试的标准组件。随后，Li等人（2015b）研究了螺旋肋片燃料组件中液态水的流动阻力特性，将CFD结果与实验数据进行比较，发现数值模拟的偏差小于8%，证明了这些模拟的准确性。液态铅铋共晶合金具有较低的普朗特数特性（Zhou等人，2025年），这使得传统的相似性准则不适用于LBE。已经提出了一系列Prt模型，包括Aoki（1963年）、Reynolds（1975年）、Jischa和Rieke（1979年）以及Cheng和Tak（2006年）提出的模型。在恒定热流密度的边界条件下，Cheng提出的湍流普朗特数模型的适用性更强（Chen等人，2013年）。Dong等人（2025年）总结了铅冷快堆在运行和事故情况下的热工水力挑战，强调了先进燃料组件设计及其热工水力物理场研究的必要性，并强调了对新燃料棒束中液态铅铋合金流动和传热增强机制的详细研究的持续重要性。目前，关于半圆形肋片燃料组件中LBE的流动和传热实验及模拟研究尚缺乏。
子通道分析程序可用于获取反应堆核心内的必要参数。整个流体区域被划分为中心、角落和边缘子通道，并可以考虑子通道的方程。该程序已成功应用于压水反应堆，并针对液态金属反应堆进行了特定修改（Tu?ek等人，2006年；Kim等人，2002年；Liu和Scarpelli，2015年）。这些修改已在使用液态钠作为冷却剂的棒束实验中得到验证。上述液态金属程序仅适用于以液态钠为工作流体的燃料组件。随后，Li等人（2017年）开发了一个名为Keda Multi-Physics and Multi-Scale Coupling Platform（KMC-Sub）的全面子通道分析程序。与中国科学院（CAS）关于61针液态铅铋共晶实验的实验结果相比，计算结果在大多数流量和功率水平上与实验结果高度一致。由于半圆形肋片燃料组件与线包裹燃料组件的差异，现有的子通道分析程序并不完全适用。因此，迫切需要研究半圆形肋片燃料棒束中子通道的流动和传热特性，以尽快开发新的程序。
总之，研究人员对不同棒束配置下的LBE流动和传热特性进行了全面研究，包括线包裹燃料组件、螺旋交叉燃料组件、花瓣形燃料组件和螺旋肋片燃料棒束。然而，关于半圆形肋片燃料组件中LBE的热工水力特性以及子通道分析程序的研究较少。因此，本文提出了一种半圆形肋片燃料棒束的几何模型，并使用Cheng和Tak的Prt模型进行数值模拟。本研究为子通道分析程序提供了理论和实证支持，为探索肋片结构如何增强流体流动中的传热能力提供了新的见解和方向。
几何模型
由于半圆形肋片燃料组件与线包裹燃料组件在结构上的相似性，且目前尚未有关于半圆形肋片燃料组件的实验研究，本研究采用了Pacio设计的19针线包裹燃料棒束（Pacio等人，2016年）来验证温度和流场。
数值结果和微分段分析
为了研究半圆形肋片燃料组件中LBE的热工水力特性，在不同燃料棒功率和LBE入口质量流量的情况下进行了CFD模拟。其中G0表示质量流量，P0表示燃料棒功率。为了进一步探讨几何结构对LBE流动和传热的影响，考虑了不同的P/D比和间距情况进行了数值模拟。具体的模拟方案见表4。
结论
本研究通过数值模拟研究了半圆形肋片燃料棒束中LBE的热工水力特性。通过微元素分割和子通道分区，分析了棒束和子通道的热工水力特性，并与圆棒束进行了比较。研究了不同情况下半圆形肋片燃料棒束子通道的热工水力特性。最后，讨论了流动和传热现象。
作者贡献声明
钱丽：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源获取。蔡思伟：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论。张胜才：初稿撰写、可视化、验证、数据整理。刘学晨：可视化、调查、正式分析。张年梅：项目管理、资金获取、正式分析。陈虎：验证、监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明本文的发表不存在利益冲突。
致谢
本研究的资金支持来自国家自然科学基金（编号：U23B20110）。
