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原子能科学技术 2019年第1期53卷 132-139页

作者：杜政瑀佟立丽曹学武王小吉侯丽强上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室四川成都610041

重力驱动注水过程中由于流量较小以及蒸汽的积聚可能导致流动不稳定现象的发生,对核反应堆安全运行具有重要的影响。通过实验研究的方法,搭建了重力注水模拟实验装置,研究了不同蒸汽出口形阻、高位储水箱水位和加热棒初始温度下流动不... 详细信息

重力驱动注水过程中由于流量较小以及蒸汽的积聚可能导致流动不稳定现象的发生,对核反应堆安全运行具有重要的影响。通过实验研究的方法,搭建了重力注水模拟实验装置,研究了不同蒸汽出口形阻、高位储水箱水位和加热棒初始温度下流动不稳定现象的变化规律。结果表明,重力驱动注水过程流动不稳定现象包含冷却水初次注入阶段、注入水逐出阶段和冷却水再注入阶段等。在一定冷却水初始温度、冷却水入口形阻以及系统压力下,蒸汽排出速度以及实验本体内筒顶部的聚集情况取决于蒸汽出口形阻,减小蒸汽出口形阻可加快蒸汽排放速度,压力峰峰值降低、振荡周期变长,有利于系统稳定;提高高位储水箱水位加快了冷却水注入速率,增加了加热棒被淹没率,降低了流动不稳定现象的发生次数和持续时间;随加热棒初始温度的升高,冷却水流量出现了波动向停滞的转变,流动不稳定现象发生的次数增加且持续时间加长。

关键词：重力注水流动不稳定现象注入水逐出压力峰

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重力注水流动不稳定性实验研究

重力注水流动不稳定性实验研究

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作者：杜政瑀上海交通大学

学位级别：硕士

失水事故后向堆芯注入冷却水是一项重要的安全措施,可以使堆芯实现再淹没以冷却堆芯,提高核反应堆的安全性。近年来,采用非能动安全技术的堆型不断得到发展。非能动安全技术仅依靠重力、密度差等自然力为驱动力实现堆芯余热排出,提高了... 详细信息

失水事故后向堆芯注入冷却水是一项重要的安全措施,可以使堆芯实现再淹没以冷却堆芯,提高核反应堆的安全性。近年来,采用非能动安全技术的堆型不断得到发展。非能动安全技术仅依靠重力、密度差等自然力为驱动力实现堆芯余热排出,提高了事故情况下核反应堆的安全性和可靠性。但是,在依靠自然力为驱动力的冷却水再淹没过程中,由于冷却水注入压头较小,且冷却水与高温燃料棒相接触将产生大量蒸汽在压力容器内聚集,会阻碍冷却水的持续注入,导致流动不稳定现象的出现,从而影响堆芯衰变热的排出,对核反应堆事故进程造成影响。重力注水流动不稳定现象涉及两相流动、汽液相变等复杂问题,相关研究还有待深入。本文采用实验研究与数值计算相结合的方法开展重力注水流动不稳定性研究,主要研究内容及结论如下:（1）设计并搭建了重力注水流动不稳定现象实验研究装置,制定了实验研究方案。实验装置可以根据工况调节初始条件,并能够实时观测和记录实验过程中温度、压力/压差、流量等参数的变化情况,具备开展不同条件下重力注水流动不稳定现象实验研究及影响因素研究的能力。（2）开展了重力注水流动不稳定性实验研究。分析了典型实验现象,归纳了实验现象的特征;在此基础上,确定了重力注水流动不稳定现象的类型。通过选取具有代表性的温度、压力特征参数,建立了用于判断流动不稳定现象是否发生的判定准则;并研究了流动不稳定典型现象的发生机理。分析了加热棒初始温度等影响因素对重力注水流动不稳定现象的作用规律。结果表明,随着加热棒初始温度的升高、高位水箱液位和系统压力的降低、加热棒热功率和冷却水入口开度的增大、蒸汽出口开度的减小,流动不稳定现象更加容易发生。其中,加热棒初始温度、高位水箱液位、加热棒热功率、冷却水入口开度对流动不稳定现象具有更明显的影响。因此,针对以上四项关键影响因素分析了其对注水过程关键指标的贡献率,并发现各关键影响因素对流动不稳定现象均有重要影响。（3）开展了数值计算研究。针对重力注水流动不稳定现象实验研究装置建立了数值计算模型,开展了数值分析,并与实验结果进行了比对。本文通过开展实验研究和数值分析,对重力注水流动不稳定现象有了更深入的理解,其结果可以为安全工具的改进及实际工程应用提供支持。

关键词：实验研究重力注水流动不稳定现象影响因素

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超临界二氧化碳垂直上升和下降对流传热特性实验研究

超临界二氧化碳垂直上升和下降对流传热特性实验研究

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作者：朱鑫杰华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

超临界二氧化碳(scCO2)发电技术相较于传统水机组有着其特有的优势,在未来新一代燃煤技术、先进能源系统和核反应堆中有着良好应用前景。深入的研究scCO2的对流换热特性和建立一个准确的换热关联式,对scCO2未来的工程应用有着重大意义... 详细信息

超临界二氧化碳(scCO2)发电技术相较于传统水机组有着其特有的优势,在未来新一代燃煤技术、先进能源系统和核反应堆中有着良好应用前景。深入的研究scCO2的对流换热特性和建立一个准确的换热关联式,对scCO2未来的工程应用有着重大意义。已有scCO2对流传热特性的研究主要针对于垂直上升流,对于下降流的研究较少。本文采用8mm、10mm两种不同管径的实验段,在压力7.8-21.0MPa、质量流速500-1000kg/m2s、热流密度50-300kW/m2的参数范围内,实验研究了圆管内垂直上升和下降流中超临界二氧化碳的对流传热特性,并在垂直上升流中观察到了大振幅、大周期的流动不稳定现象。实验结果表明,在较低质量流速或较大热流密度下更容易出现传热恶化现象,升高压力或增大质量流速有利于改善传热性能,较大的管径传热恶化更严重。与垂直上升管内流动相比,垂直下降流动过程更不容易出现传热恶化。将实验数据和已有的浮升力和流动加速效应准则进行了比较和分析,结果发现常见衡量浮升力和流动加速效应的无量纲准则Bo*、Kv难以预测正常传热和传热恶化现象,传统的浮升力和流动加速分析存在着一定的不足。在类沸腾理论的框架下,通过引入表征近壁面附近类气膜温度梯度大小的温度梯度数π13解释了上升、下降管内不同传热特性的原因,结果表明当传热恶化出现后在恶化点位置温度梯度数π13出现了局部峰值,温度梯度变大使得类气膜附着在壁面上,局部类气膜厚度增加导致了传热恶化。考虑超临界类沸腾现象,引入类沸腾无量纲数,拟合了一个包含超临界类沸腾数的新关联式,新关联式对于上升、下降流均适用。在与文献中的关联式比较后发现:新关联式具有更高的准确性。对于超临界传热恶化和传热关联式的探究为工程设计提供了参考,可以更加有效的避免局部超温导致的部件烧毁,保证设备的安全运行。在工程实际中,不稳定流动会导致设备出现热应力疲劳,严重影响设备的使用寿命。本文在10mm圆管垂直上升管的实验过程中,发现一种大振幅、大周期的不稳定流动现象,并研究了热流密度、进口压力和质量流速对不稳定现象的影响。结果表明,流动不稳定现象仅出现在一个热流密度区间内,大于或者小于某个热流密度均为稳定流动,热流密度对振荡周期没有显著影响,提高工作压力和质量流速有利于提高系统的稳定性。

关键词：超临界二氧化碳类沸腾传热关联式流动不稳定现象

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