海洋条件下多自然循环回路耦合瞬态响应特性研究

摘要

船用核动力装置远离陆地，在事故状况下缺乏充足的外部支持，非能动安全技术可显著提高船用核动力装置的固有安全性。非能动余热排出系统和反应堆一、二回路系统在事故工况下处于多自然循环回路耦合状态，回路间各因素相互影响，有明显反馈效应，此外海洋条件的影响具有强烈的多因素耦合以及非线性特征，进而造成海洋条件下多回路自然循环余热排出系统的响应特性极为复杂。因此本文采用实验与数值计算相结合的方法，对海洋条件下多自然循环回路耦合瞬态响应特性开展了研究。
　　本文基于研究海洋条件影响所需的两套坐标系，给出了海洋条件建模所需的旋转坐标矩阵，确定了非惯性系中的动量守恒方程。梳理了海洋条件下RELAP5程序二次开发的基本思路。将海洋条件数学模型、附加惯性力模型与RELAP5系统内部模型相结合。初步完成了RELAP5程序的二次开发。
　　以去离子水为工质，开展了摇摆条件下单回路实验系统和静态多回路实验系统的单相自然循环流量、温度波动特性的实验研究，并利用二次开发的RELAP5系统程序对系统进行了仿真研究。对比分析后表明，计算结果与实验数据符合度较高。可以认为二次开发后的RELAP5程序能够用于对海洋条件下低压自然循环系统内的单相流动的模拟计算。
　　在此基础上，开展了双回路自然循环系统在额定功率运行工况和功率跃升工况下受倾斜、起伏、摇摆运动条件的影响情况数值模拟研究。数值模拟结果表明:
　　在额定功率运行工况下，横摇运动会造成一、二回路流量及换热量的剧烈波动。纵摇运动对系统额定功率运行时各个参数的影响基本可以忽略。起伏运动会造成系统一、二回路流量及换热量的波动，但对系统压力和各个进出口温度的影响不大。在功率阶跃上升的工况下，在横倾工况中，系统各个参数的响应时间随着冷热源高差增加而减小。纵倾条件对于本文中所涉及的双回路自然循环系统响应特性的影响基本可以忽略。在本文计算所涉及的起伏条件下，双回路自然循环系统中各个参数的响应时间均不会受到影响。横摇20°/0.05工况和横摇15°/0.05工况的响应时间与静态工况基本相同，但流量振荡较为剧烈的横摇15°/0.1工况对于功率阶跃的响应时间明显要小于静态工况和其他横摇工况的响应时间。纵摇运动对双回路自然循环系统响应时间的影响基本可以忽略不计。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章绪论

1．1研究目的及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1静态条件下多回路自然循环热工水力特性研究现状

1．2．2海洋条件下自然循环热工水力特性研究现状

1．2．3海洋条件下多回路自然循环热工水力特性研究现状

1．3当前研究存在的不足

1．4本文主要研究内容

第2章实验装置与实验方案

2．1摇摆条件下自然循环实验系统

2．1．1实验回路系统

2．1．2实验本体辅助系统

2．1．3实验本体驱动机构

2．2摇摆实验的实验内容及实验步骤

2．2．1实验内容

2．2．2实验步骤

2．3多回路耦合自然循环实验系统

2．3．1实验回路

2．3．2实验辅助及测量系统

2．4多回路实验系统的实验内容和实验步骤

2．4．1实验内容

2．4．2实验步骤

2．5不确定度分析

2．6本章小结

第3章海洋条件模型及RELAP5二次开发

3．1海洋条件数学模型建立

3．2海洋条件下坐标系定义与坐标变换

3．3海洋条件数学模型

3．3．1倾斜运动数学描述

3．3．2起伏运动数学描述

3．3．3摇摆运动数学描述

3．4非惯性系与惯性加速度模型

3．4．1非惯性系介绍

3．4．2海洋条件惯性加速度模型

3．5 RELAP5二次开发

3．5．1 RELAP5程序简介

3．5．2RELAP5基本守恒方程

3．5．3 RELAP5程序计算流程介绍

3．5．4RELAP5海洋条件修改策略

3．5．5倾斜运动条件修改策略

3．5．6起伏运动条件修改策略

3．5．7摇摆运动条件修改策略

3．5．8复合海洋运动条件修改策略

3．6本章小结

第4章海洋条件下单回路自然循环系统建模与分析

4．1摇摆条件下自然循环实验系统建模

4．1．1摇摆系统节点图

4．1．2阻力系数设置

4．1．3网格敏感性

4．2静态条件下升功率实验验证

4．3摇摆条件下单相零功率实验验证

4．4摇摆条件下单相额定功率实验验证

4．4．1流量对比

4．4．2温度对比

4．5横摇周期对系统特性的影响

4．5．1摇摆频率对流量影响研究

4．5．2摇摆频率对加热器进出口温度影响研究

4．6倾斜工况下的系统特性

4．7本章小结

第5章耦合双回路自然循环系统运行特性研究

5．1多回路系统建模

5．2稳态工况

5．3功率阶跃工况响应特性研究

5．3．1功率阶跃工况下系统参数的响应特性

5．3．2换热器壁面厚度对系统响应特性的影响

5．3．3换热器换热面积对系统响应特性的影响

5．4功率波动工况响应特性研究

5．4．1功率波动工况中频率对系统响应特性的影响

5．4．2功率波动工况中振幅对系统响应特性的影响

5．5本章小结

第6章海洋条件下双回路系统运行特性研究

6．1海洋条件对稳态运行系统影响研究

6．1．1静态条件

6．1．2倾斜条件

6．1．3起伏条件

6．1．4摇摆条件

6．2海洋条件对系统响应特性的影响研究

6．2．1静态条件

6．2．2倾斜条件

6．2．3起伏条件

6．2．4摇摆条件

6．3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