运动条件对自然循环系统驱动力特性的影响机制研究

摘要

自然循环依靠回路中冷热段密度差及有效高差，在重力作用下形成驱动力，与流体流动阻力达到平衡，形成稳定的循环。在缺失外部驱动力的情况下，排出堆芯中产生的热量，从而保证反应堆的安全。因此，目前第三代先进压水堆通常都具备一定的自然循环能力。在海洋小堆等应用中，由于自然循环系统的驱动压头小，容易受到风、浪、涌等影响而产生流量波动，威胁反应堆的安全。本文通过多尺度耦合的方法，分析了海洋运动对自然循环特性的影响，以及运动条件对自然循环工况下通道内流动传热特性的影响。通过空泡仪及可视化实验方法，分析了运动条件对通道内两相流流型的影响。主要开展了以下几个方面的研究：　　①对倾斜、升潜、摇摆三种典型运动条件进行受力分析，考虑由空间位置变化引起的重力分量变化、由非匀速运动引入的惯性力，以及由旋转运动导致的离心力及科氏力。通过对热工系统程序RELAP5代码进行修改及对Fluent程序进行二次开发，引入运动条件，在此基础上实现两个程序的数据交换，建立适用于研究运动条件下多尺度耦合计算的分析工具，并通过实验数据对比验证了耦合程序的准确性。　　②通过耦合程序，研究了运动条件对自然循环工况下流道内流动传热特性的影响。在浮力作用下，倾斜流道内所形成混合对流，对传热能力有明显强化作用。升潜条件下，流道内的流动传热特性主要受流量脉动的影响。在过渡区内，脉动流的截面速度分布呈现“环形分布”，导致瞬态阻力特性随流量脉动而周期性变化，并且截面温度分布也存在类似的特性，引起瞬态传热特性的周期波动。摇摆条件下，瞬态流动传热特性受混合对流和流量脉动的综合影响，两种效应的相对大小与具体的运动参数有关。可以确定的是混合对流会增强时均换热能力，而流量脉动只影响瞬态值，而不会对时均值产生影响。当自然循环流量波动到非常低时，截面压力分布不均将引起所谓“边界层加速”效应，导致流动阻力的突然增大。　　③通过耦合程序分析了不同运动条件下，自然循环驱动力的瞬变特性。倾斜条件下，不同的倾斜方向决定了水平段对自然循环驱动力的贡献，因此倾斜方向不同时，自然循环系统流动变化有差异。升潜条件下，自然循环驱动力、流量及阻力都呈现近似正弦波动。受惯性影响，驱动力变化的相位要领先于流量和阻力，而流量与阻力变化相位相同。驱动力与阻力之间的相位差导致驱动力的波动幅度大于阻力的波动幅度。驱动力与阻力之间的相位差随升潜周期的减小、加热功率的减小、二次侧温度的减小而增大。流量的波动幅度随升潜幅度的增大、升潜周期的减小、加热功率的增大、二次侧温度的增大而增大。流量时均值不受升潜运动的影响，但随加热功率的增大、二次侧温度的增高而增大。摇摆条件下主要存在两种不同的流量波动形式，分别为大周期工况下的“双峰型”（BIMODAL）和小周期工况下的“正弦型”（SINE）。摇摆条件下，流量波动幅度随着摇摆周期的减小、摇摆角度的增大、加热功率的减小、二次侧温度的减小而增大。总驱动力与流量时均值由竖直管路产生的重位驱动力（GD）决定，摇摆周期的减小虽然对总驱动力的时均值没有影响，但使阻力的时均值减小，因而导致流量时均值增大；当增大摇摆幅度时，将使总驱动力的时均值减小，因此导致流量时均值减小。加热功率和二次侧温度的增大，都会使总驱动力时均值增大，造成流量时均值增加。　　④基于平板空泡仪及可视化方法，开展了静止、倾斜以及摇摆条件下窄矩形通道内相态宏观分布特性研究，气相、液相表观流速范围分别为0.05-20m/s、0.15-2m/s。倾斜及摇摆条件下的流型分类结果表明：倾斜及摇摆对泡状流-弹状流转变没有显著影响，而使弹状流-搅混流、搅混流-环状流的转变明显滞后。　　⑤对两相流模型框架下的壁面热流分配模型（WFPM）进行评估，发现在选取适当的f?Na?Db模型组合的前提下，WFPM能较为准确地预测截面平均空泡份额、截面平均温度和壁温，但是在预测空泡份额分布上表现欠佳。通过耦合程序对运动条件下窄矩形通道内两相流动传热特性，以及系统特性进行了分析。倾斜条件下，浮力造成朝上面和朝下面附近汽相的聚集或扩散，导致壁温升高或降低，壁面切应力减小或增大。在强迫循环工况下，摇摆对流动传热特性的影响与加热面朝向有关，因此流动传热特性呈周期性变化。但是，由于流动惯性的存在，参量变化存在相位差，且存在明显的多维度效应，局部参量的变化与空间平均值存在较大差异。而在自然循环工况下，流动传热特性则主要受流量波动的影响，与运动形式（摇摆或升潜）关系不大。在两相自然循环系统中，相对于重位驱动力（GD），附加驱动力（AD）的时均值依然可以忽略不计，因此两相自然循环时均特性仍受GD的控制。对于两相自然循环的瞬时特性，GD的影响增强，大多数的摇摆条件下，两相自然循环系统的流量特性表现为“双峰型”波动。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 自然循环系统的构成

1.3 影响自然循环系统特性的主要因素

1.3.1 系统阻力特性

1.3.2 两相相态特性

1.3.3 典型运动条件

1.4 典型运动条件对单相流动传热特性的影响

1.4.1 混合对流的流动传热特性

1.4.2 脉动流的流动传热特性

1.5 典型运动条件对两相流动传热特性的影响

1.6 问题的提出

1.7 本文的研究目的和内容

2 典型运动条件热工水力分析程序耦合研究

2.1 典型运动条件的引入

2.1.1 典型运动条件的数学模型

2.1.2 典型运动条件在Fluent 及RELAP5 程序中的实现

2.2 不同尺度程序耦合研究

2.2.1 耦合方法的分类

2.2.2 RELAP5/Fluent 耦合方法

2.3 耦合程序模型建立及验证

2.3.1 数学物理模型

2.3.2 模型及网格无关性验证

2.3.3 耦合程序验证

2.4 本章小结

3 典型运动条件下矩形通道内单相自然循环特性

3.1 壁面加热对自然循环系统驱动力的影响

3.1.1 倾斜条件下混合对流的形成与空间演化

3.1.2 升潜条件下自然循环流动传热特性

3.1.3 摇摆条件下自然循环流动传热特性

3.2 倾斜对单相自然循环特性的影响

3.3 升潜条件下的单相自然循环特性

3.3.1 升潜条件下驱动力-流量-阻力动态关系

3.3.2 升潜对自然循环瞬时及时均特性的影响

3.4 摇摆条件下的单相自然循环特性

3.4.1 摇摆条件下驱动力-流量-阻力的动态关系

3.4.2 摇摆对自然循环瞬时及时均特性的影响

3.5 运动条件对单相自然循环特性影响的理论分析

3.5.1 运动条件下单相自然循环模型

3.5.2 升潜条件的影响

3.5.3 摇摆条件的影响

3.6 本章小结

4 典型运动条件下窄矩形通道内两相相态特性

4.1 实验系统

4.2 实验测量仪器及方法

4.2.1 平板空泡仪

4.2.2 其他参数测量及范围

4.2.3 不确定度分析

4.3 典型运动条件对窄矩形通道内流型的影响

4.3.1 泡状流-弹状流转变

4.3.2 弹状流-搅混流转变

4.3.3 搅混流-环状流转变

4.3.4 运动条件下窄矩形通道的流型图

4.4 本章小结

5 典型运动条件对两相自然循环系统传热和流动的影响

5.1 两相流动沸腾及其模型

5.1.1 两相流动沸腾的一般过程

5.1.2 两相流动沸腾模型

5.2 两相流动沸腾模型及耦合程序验证

5.2.1 两相流动沸腾模型验证

5.2.2 运动条件下汽泡脱离直径模型修正

5.2.3 运动条件下两相耦合程序验证

5.3 典型运动条件对自然循环矩形通道的两相流动及传热的影响

5.3.1 倾斜对通道内流动及传热的偏斜效应

5.3.2 摇摆的双峰影响

5.3.3 流动传热特性对升潜运动的响应

5.4 典型运动条件下两相自然循环特性

5.5 本章小结

6 结论与创新点及展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 下一步工作及展望

参考文献

附 录

A 作者在博士期间发表的论文目录

B 作者在攻读学位期间主要参与科研项目

C 学位论文数据集:

致谢