熔融物与冷却剂相互作用过程粗混合阶段的数值模拟分析

摘要

高温的熔融物与冷却剂相互作用(FCI，Fuel Coolant Interaction)会引起蒸汽爆炸现象。在核电厂发生堆芯熔化的严重事故时，处于高温的堆芯熔融物会与容器内的冷却剂相互作用，发生蒸汽爆炸，产生巨大压力，对周围的系统及工作环境带来严重的破坏。因此，熔融物与冷却剂相互作用过程是核能方面研究的重点。
　　熔融物与冷却剂相互作用过程一般分为粗混合、触发、压力传播和膨胀四个阶段。在粗混合阶段，熔融物液柱碎化成熔融物液滴，增大了熔融物与冷却剂的接触面积，强化了熔融物与冷却剂之间的传热，对后续的三个阶段影响很大。因此，本文结合上海交通大学开发的METRIC程序的粗混合模块，对熔融物与冷却剂相互作用过程的粗混合阶段进行数值模拟研究，开展了如下工作:
　　(1)本文结合典型的FCI粗混合实验中的K-32与K-38实验，对新开发的METRIC程序的粗混合模块进行了合理性验证。通过比较模拟与实验中冷却剂液位的膨胀高度及熔融物液柱的入水深度及FCI过程中熔融物液柱碎化过程、熔融物液滴及蒸汽的分布等现象，认为METRIC程序能够比较合理的模拟熔融物与冷却剂相互作用的粗混合阶段;
　　(2)本文对FCI粗混合阶段数值计算的主要数学模型进行了研究:熔融物液柱碎化模型中，生成熔滴的初始直径影响FCI的传热过程，计算时需根据实际情况合理选择熔滴的初始直径;熔融物液柱碎化的Saito模型与Meignen模型的计算结果基本一致;熔融物液滴的粗碎化过程对冷却剂的蒸发影响很大，从而影响后续的蒸汽爆炸阶段;对传热模型分析认为对流换热在熔融物与冷却剂相互作用的粗混合阶段起主导作用，液柱传热过程对总的冷却剂蒸发量及液柱的碎化影响非常小;
　　(3)本文还研究了初始条件对粗混合现象的影响，分别选择熔融物液柱直径、熔融物入水的速度及初始冷却剂温度等初始工况为变量，并选择典型的堆外发生FCI过程进行模拟，分析认为:熔融物液柱的直径越大，其碎化的速率越快，产生的蒸汽量也相对较多;熔融物入水的速度越大，其与冷却剂的相对速度也越大，在不稳定波的作用下熔融物碎化的速率也相对较大;冷却剂的过冷度越小，熔融物液柱在冷却剂内下落的速度相对较快。
　　本文结合新开发的METRIC程序对FCI粗混合阶段进行了数值模拟分析，分析了程序的合理性，对主要的数学模型进行分析，并研究了初始条件对粗混合作用的影响，为对FCI过程的研究提供一定的参考。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 FCI粗混合阶段实验研究

1．2．2 FCI粗混合阶段数值研究

1．3 研究现状小结

1．4 本文的主要研究内容

第二章 FCI粗混合阶段数值计算模型

2．1 基本控制方程

2．2 传热传质源项模型

2．2．1 流型划分

2．2．2 熔融液柱碎化模型

2．2．3 熔融物液滴粗碎化模型

2．2．4 膜态沸腾传热

2．3 METRIC程序计算模块介绍

2．4 本章小结

第三章 FCI粗混合阶段数值模拟分析研究

3．1 KROTOS实验介绍

3．2 基于Meignen模型的模拟分析

3．2．1 模型的建立

3．2．2 网格尺寸与时间步长的选择

3．2．3 模拟结果分析

3．3 基于Saito模型的模拟分析

3．3．1 模型的建立

3．3．2 网格尺寸与时间步长的选择

3．3．3 模拟结果分析

3．4 本章小结

第四章 FCI粗混合阶段传热传质模型分析研究

4．1 传质过程模型分析研究

4．1．1 熔融物液柱碎化模型研究

4．1．2 粗碎化模型分析

4．2 传热过程模型分析

4．2．1 膜态沸腾传热

4．2．2 对流换热与辐射换热

4．3 本章小结

第五章 初始条件对FCI粗混合过程的影响

5．1 初始条件对FCI粗混合过程的影响

5．1．1 熔融物液柱直径的影响

5．1．2 熔融物入水速度的影响

5．1．3 冷却剂过冷度的影响

5．2 典型FCI过程粗混合阶段模拟分析

5．2．1 建模与计算

5．2．2 模拟结果分析

5．3 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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