内置换料水箱自然对流与热分层现象的全局特性研究

摘要

在发生非破口事故时，内置换料水箱与非能动余热排出热交换器在导出堆芯余热方面起着至关重要的作用。本文分别采用粒子图像测速(PIV)和激光诱导荧光(LIF)技术对内置换料水箱内部的自然对流和热分层现象开展实验研究，以期优化内置换料水箱和非能动余热排出系统的设计，提高反应堆安全系统的可靠性和经济性。 本文依据H2TS比例分析方法，结合自然对流现象的理论分析，获得了原型装置与实验装置之间需要满足的等比缩小比值。使用PC板和不锈钢搭建了实验本底框架，内置五根C型电加热管，并搭建了光学诊断平台、热电偶测温系统等配套系统。然后使用PIV技术对水箱三个轴向上共计12个平面处的流场进行了拍摄，获得三组恒定加热功率及两组变加热功率条件下的各平面处流场演变规律。尝试使用LIF测温技术对X-3平面处热分层现象的演变进行了研究，并使用点对点标定方法开展后处理，获得的全场性温度场数据直观反映了水箱内热分层现象的演变。 研究结果表明，在C型加热管束及其周围区域由于热驱动力较大而存在一个剧烈的上升流，且随着加热量的累积，上升流做能达到的最大高度不断降低，并出现向两周壁面的扩散区。扩散区两侧冷热流体的交混产生大量的小漩涡，同时在靠近水箱壁面区域存在沿水箱轴向的大循环，循环和对流的存在使得同一高度位置处的流体温度差值小于1℃。LIF测温技术和热电偶测温数据均表明沿水箱的轴向高度上存在明显的热分层现象，且随着加热时间的延长，热分层现象趋于稳定，此时沿水箱径向方向上温度趋于一致。依据水箱沿轴向方向上的热分层与自然对流现象，将水箱沿轴向高度划分为三个区域，分别为高温度、对流区和低温区。自然对流现象是由流体之间的温度不均衡现象导致的，而热分层现象又是由于流体之间的弱对流产生的。加热伊始，流体温度均衡而使得对流剧烈，随着热量在水箱上部的积聚，流体密度差减小而使得对流减弱，对流的减弱将会使得流体沿轴向方向上的热分层现象加剧，从而又加剧了流体之间的对流换热程度。 综上表明，基于PIV和LIF技术可以对内置换料水箱内部热工水力特性进行全场测量并可对内置换料水箱内部的流场和温度场进行定量分析，所获得的实验数据可为数值计算结果提供验证，优化和改进内置换料水箱和非能动余热排出热交换器的设计。