环形下降段内含硼溶液扩散行为实验研究及数值模拟分析

摘要

硼酸控制是压水堆反应性控制重要部分，在启堆初期燃料组件剩余反应性较大，一回路的硼酸可补偿堆芯剩余反应性;堆芯应急冷却中安注水箱将含有高浓度硼酸的冷却剂注入压力容器淹没堆芯并引入负反应性。主回路内硼酸浓度分布直接关系到堆芯燃料组件的安全:堆芯供冷不足产生将导致一回路硼浓度重新分布，冷段附近管路内形成低浓度稀释水团。稀释水团进入堆芯流道后可致燃料组件临界和功率峰偏离，高硼冷却剂与稀释水团在环形下降段和下腔室的混合过程是事故条件下的安全分析的重要内容。
　　本文采用平面激光诱导荧光法分析硼稀释问题，该方法可在不影响流体流动的情况下获得精度较高的二维浓度分布。对湍流扩散布朗运动项占比的分析表明，激光染色剂罗丹明B可模拟硼酸分子的输运过程。实验本体材料为聚甲基丙烯酸甲脂，对532nm激光透视率超过80％;压力容器模型设计参考典型三代压水堆多回路设计，增设双层流量分配孔板保证与原型压力容器内的流动特性一致。对实验过程的误差分析显示，浓度测量不确定性为6.08％。
　　根据课题背景，实验分为流动实验和安注实验两部分:流动实验以主泵恢复工作为前提分析稀释水团与含硼冷却剂在封闭一回路中的混合过程，分别进行了单回路和双回路流动实验;安注实验以外部应急水源进入一回路为前提，通过添加蔗糖的形成密度差，分析密度差条件下安注水与稀释水团的交混机理。实验结果表明:含硼溶液进入环形下降段后并非直接沿横截面流动，而是沿周向位置扩散，水平方向动能衰减后扩散方式过渡为竖直方向的沉降;入口雷诺数突破临界范围后，入口染色剂水平方向动能尚未完全衰减就已经充满了整个环腔;引入密度差后交混机理发生改变，安注蔗糖溶液受质量力作用迅速沉降并占据整个下腔室，随后部分流体在周向位置较大的区域沿重力反方向形成逆流;弗劳德数高于一定范围后注流密度较大，质量力作用居于主导地位并形成浓度分层。
　　通过FLUENT对硼稀释问题展开数值模拟分析，数值模拟结果经实验数据验证，可准确反映压力容器内流动混合特性。三维流线图显示硼酸溶液进入压力容器后在环腔内壁发生剧烈碰撞，随之呈放射状散开并获得多维度的速度矢量;横截面的速度矢量图显示入口流体沿周向位置扩散，并伴随着速度衰减。通过数值模拟获得了整个环腔内的浓度分布，其浓度扩散趋势与实验结果相一致。
　　结合实验数据对热工水力分析程序RELAP5的硼输运模块进行适用性评价。以压力容器可视化本体为基础建立模型，包括入口管段和环形下降段，并考虑了重力影响。通过对比计算结果与实验得到的归一化浓度发现，多通道环形下降段模型更适用于硼酸输运的分析中;当前RELAP5硼模块中，增加硼酸浓度不会影响其流动和交混特性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1实验研究

1．2．2数值模拟分析

1．2．3现阶段研究不足

1．3激光诱导荧光法的发展与应用

1．4本文主要研究内容

第2章实验装置及实验方案

2．1．1扩散系数分析

2．1．2激光染色剂的选择

2．2实验系统

2．2．1实验流动回路

2．2．2实验本体

2．2．3光学仪器布置

2．2．4主要实验仪器

2．3实验方法与安全事项

2．3．1实验准备

2．3．2流动与安注实验

2．3．3实验注意事项

2．4．1图像处理

2．4．2数据处理

2．4．3 PLIF灰度-浓度曲线拟合

2．4．4不确定度分析

2．5本章小结

第3章一回路冷却剂与稀释水团的交混特性

3．1单回路流动实验

3．1．1实验工况

3．1．2横截面浓度分布云图

3．1．3横截面浓度定量分析

3．1．4纵截面浓度分布

3．2双回路流动实验

3．2．1实验工况

3．2．2横截面浓度分布云图

3．2．3横截面浓度定量分析

3．3本章小结

第4章安注冷却剂与稀释水团的交混特性

4．1安注实验工况

4．2横截面浓度分布

4．2．1横截面浓度分布云图

4．2．2横截面周向展开图

4．2．3横截面浓度定量分析

4．2．4变异系数分析

4．3纵截面浓度分布云图

4．4本章小结

第5章下降段硼稀释问题CFD数值模拟

5．1数值模拟理论基础

5．1．1计算流体力学的发展

5．1．2 SST模型

5．2 CFD参数设置

5．2．1模型建立与网格划分

5．2．2数值模拟工况

5．3模型验证

5．3．1定性结果对比

5．3．2定量结果对比

5．4．1横截面速度分布

5．4．2流线图分析

5．5．1流动混合数值模拟

5．5．2安注混合数值模拟

5．6本章小结

第6章RELAP5硼输运模块适用性评价

6．2节点划分与参数设置

6．3数值计算结果分析与对比

6．3．1单回路流动混合

6．3．2双回路流动混合

6．3．3入口硼酸浓度影响

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢