Abstract A realistic five-layered helical coil tube bundle in turbulent cross flow is numerically investigated using large eddy simulation (LES). The geometry of the helical coil tube bundle, which is a 1/45 sector of a helical coil steam generator design for an advanced small modular reactor, has three counterclockwise helical layers and two clockwise helical layers stacked in alternating fashion in the radial direction. A Reynolds number of 21,800 is considered based on the mean gap velocity, diameter of the coil tube, and kinematic viscosity of the working fluid. The WALE sub-grid scale model is employed for LES to resolve scale smaller than the grid size. Additionally, LES for an ideal five-layered coil bundle model without a helical geometry is utilized to generate comparison data. Instantaneous flow fields are explored by analyzing velocity magnitude, vorticity, static pressure, and vortical structures. The detachments of vortical structures from the coil tube surface are observed by visualizing vortical structures and wall shear stress distributions simultaneously. Various turbulent statistics at multiple monitoring locations are presented with an emphasis on feature difference between realistic and ideal coil bundle models. The results of spectral analyses, including the power spectral density and continuous wavelet transform analyses, are addressed from the perspective of flow-induced vibration. The key feature of this paper is the discussion of three-dimensional effects based on the helical geometry of a coil bundle.

中文翻译：

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湍流横流中螺旋盘管管束的大涡模拟数值研究

摘要 使用大涡模拟（LES）对湍流交叉流中的现实五层螺旋盘管管束进行了数值研究。螺旋盘管管束的几何形状是用于先进小型模块化反应堆的螺旋盘管蒸汽发生器设计的 1/45 扇区，具有三个逆时针螺旋层和两个顺时针螺旋层，它们在径向上以交替方式堆叠。根据平均间隙速度、盘管直径和工作流体的运动粘度，考虑雷诺数为 21,800。LES 采用 WALE 子网格尺度模型来解析小于网格大小的尺度。此外，没有螺旋几何形状的理想五层线圈束模型的 LES 用于生成比较数据。通过分析速度大小、涡度、静压和涡流结构来探索瞬时流场。通过同时可视化涡旋结构和壁面剪应力分布，观察涡旋结构与盘管表面的分离。展示了多个监测位置的各种湍流统计数据，重点是现实和理想线圈束模型之间的特征差异。频谱分析的结果，包括功率谱密度和连续小波变换分析，是从流动引起的振动的角度解决的。本文的主要特点是讨论了基于线圈束螺旋几何形状的三维效应。通过同时可视化涡旋结构和壁面剪应力分布，观察涡旋结构与盘管表面的分离。展示了多个监测位置的各种湍流统计数据，重点是现实和理想线圈束模型之间的特征差异。频谱分析的结果，包括功率谱密度和连续小波变换分析，是从流动引起的振动的角度解决的。本文的主要特点是讨论了基于线圈束螺旋几何形状的三维效应。通过同时可视化涡旋结构和壁面剪应力分布，观察涡旋结构与盘管表面的分离。展示了多个监测位置的各种湍流统计数据，重点是现实和理想线圈束模型之间的特征差异。频谱分析的结果，包括功率谱密度和连续小波变换分析，是从流动引起的振动的角度解决的。本文的主要特点是讨论了基于线圈束螺旋几何形状的三维效应。展示了多个监测位置的各种湍流统计数据，重点是现实和理想线圈束模型之间的特征差异。频谱分析的结果，包括功率谱密度和连续小波变换分析，是从流动引起的振动的角度解决的。本文的主要特点是讨论了基于线圈束螺旋几何形状的三维效应。展示了多个监测位置的各种湍流统计数据，重点是现实和理想线圈束模型之间的特征差异。频谱分析的结果，包括功率谱密度和连续小波变换分析，是从流动引起的振动的角度解决的。本文的主要特点是讨论了基于线圈束螺旋几何形状的三维效应。