U型管式蒸汽发生器倒流特性实验研究与理论分析

摘要

大量商用核蒸汽供应系统（NSSS）及压水堆核动力装置均采用U型管式蒸汽发生器（UTSG）。UTSG的一次侧包含了多根并联的U型管。国内外许多研究发现，在入口流量较低的自然循环或强迫循环低流量工况下，部分U型管会发生倒流现象。当U型管发生倒流时，传热管总体的流动阻力增大，换热能力减弱，对蒸汽发生器和反应堆系统的正常运行造成不可忽视的影响。因此，对U型管式蒸汽发生器的倒流特性开展研究有着非常重要的意义。本文基于可视化实验和系统程序分析，研究U型管式蒸汽发生器的倒流特性，并在此基础上建立U型管式蒸汽发生器倒流特性理论分析模型及判定准则。　　基于U型管式蒸汽发生器倒流特性可视化实验，得到了U型管中发生倒流的可视化图像，可视化图像中清晰地反映了U型管内流体从稳定正向流动到部分反转的全周期的物理过程。通过分析冷态实验结果，得出了实验回路阻力特性及电动调节阀阻力特性。通过对回路总压降、回路摩擦压降以及U型管两端压降等实验数据的处理，发现随着一次侧入口温度的升高，U型管两端压降减小，同时回路冷热源高差增大。采用热损外推法获得了系统热损失特性的情况，拟合了系统的散热特性曲线，对应的R2=0.983（R2为相关系数），所得关系式与实验结果符合较好。对典型实验工况进行了分析，发现当某一根U型管发生倒流时，该U型管中的流量迅速降低到零以下，而另两根U型管中流量同时迅速增大。同时，一次侧出口腔室的冷水倒流回入口腔室，导致U型管入口流体的温度出现急剧下降的情况。另外，对于回路冷端阻力较小的工况，在倒流临界前夕出现了明显的流量脉动现象。对倒流特性开展参数影响分析，发现一次侧入口温度和一回路总流量对倒流临界点和脉动起始点的影响都比较大，而一回路阻力系数仅对脉动起始点的影响较大，随着一回路阻力系数的增大，脉动起始点和倒流临界点逐渐接近，并且在本实验工况范围内，二次侧冷却水流量对倒流临界点和脉动起始点的影响都很小。　　基于实验结果、三大守恒方程以及U型管进出口腔室压力相等，建立了U型管式蒸汽发生器倒流特性理论分析模型。利用无量纲分析方法建立管内流体控制方程，并结合小扰动理论，获得了临界Reynolds数Rec，提出了U型管式蒸汽发生器倒流判定准则。当Re＞Rec时，U型管内流动是稳定的，不会发生倒流；当Re＜Rec时，U型管内流动是不稳定的，便会发生倒流。　　基于理论分析模型和判定准则，对U型管式蒸汽发生器倒流特性进行了系统程序分析。为进一步优化理论模型，根据实验数据拟合了过渡区2161＜Re＜3000内的流动摩擦阻力系数计算关系式，R2为0.830；并拟合了7960＜Re＜10538和307＜Re，7960内一次侧换热系数计算关系式，R2分别为0.979和0.977，所得关系式均与实验数据符合得较好，而后将系统程序计算所得倒流临界点与实验结果进行对比验证，计算结果与实验结果符合得较好，最大误差不超过8%。采用优化后的一维系统程序进行拓展计算，发现U型管内径和长度、二次侧温度和换热系数对倒流临界的影响较大，而U型管壁厚、弯管半径以及一次侧压力对倒流临界的影响较小。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 U型管倒流特征现象研究现状

1.3 U型管倒流临界特性研究现状

1.4 U型管式蒸汽发生器倒流理论模型及判定准则研究现状

1.5 本文研究目的和研究内容

2 实验系统和实验方法

2.1.1 实验系统

2.1.2 实验段设计和参数范围

2.1.3 实验工况范围和实验方法

2.2.1 数据采集

2.2.2 数据处理

2.2.3 误差分析

3 U 型管式蒸汽发生器倒流特性的实验研究

3.1 冷态实验结果与分析

3.2.1 冷热源当量高差及热损失

3.2.2 典型工况下的实验结果与分析

3.2.3 参数影响分析

3.3 瞬态实验结果与分析

3.3.1 典型工况下的实验结果与分析

3.3.2 参数影响分析

3.4 本章小结

4 U 型管式蒸汽发生器倒流特性理论分析模型及判定准则

4.1 U型管内流动传热的理论分析模型

4.2 回路内流动传热的理论分析模型

4.3 倒流判定准则

4.3.1 控制方程的无量纲化

4.3.2 倒流判定准则

4.4 本章小结

5 U型管式蒸汽发生器倒流特性的系统程序分析

5.1 一维计算模型的优化

5.1.1 流动摩擦阻力系数计算模型的优化

5.1.2 一次侧换热系数计算模型的优化

5.1.3 模型验证

5.2 参数影响分析

5.2.1 二次侧温度的影响

5.2.2 U型管内径的影响

5.2.3 U型管壁厚的影响

5.2.4 U型管长度的影响

5.2.5 U型管弯管半径的影响

5.2.6 一次侧压力的影响

5.2.7 二次侧换热系数的影响

5.3 本章小结

6 主要结论与建议

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 进一步工作的建议

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目目录

C. 学位论文数据集

致谢