超臨界水自然循環(huán)流動(dòng)及換熱特性研究.pdf

1、超臨界水冷反應(yīng)堆(SCWR)是國(guó)際上選中的六種四代堆中唯一的水冷堆，具有經(jīng)濟(jì)性、延續(xù)性及可持續(xù)性等諸多綜合優(yōu)勢(shì)，是借鑒現(xiàn)有壓水堆、沸水堆和超臨界火電的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出的一種新的概念設(shè)計(jì)堆型。選取超臨界水作為工作介質(zhì)，堆芯出口壓力25 MPa，溫度500℃。超臨界水自然循環(huán)流動(dòng)及傳熱的研究，對(duì)緩解堆芯事故及第四代超臨界水堆堆芯余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有理論意義。
　　首先，引入析因分析方法研究了不同因素對(duì)超臨界水自然循環(huán)穩(wěn)態(tài)

2、流量和脈動(dòng)周期的影響。分析結(jié)果顯示，在對(duì)穩(wěn)態(tài)流量的影響中，入口阻力系數(shù)所占的百分比貢獻(xiàn)率約70.89％;加熱段長(zhǎng)度和入口溫度交互作用的百分比貢獻(xiàn)率為13.26％;加熱段長(zhǎng)度的百分比貢獻(xiàn)率為12.32％。在對(duì)脈動(dòng)周期的影響中，加熱段長(zhǎng)度的百分比貢獻(xiàn)率為68.47％;入口阻力系數(shù)的百分比貢獻(xiàn)率為24.04％。根據(jù)分析結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，可為實(shí)驗(yàn)段的進(jìn)出口安裝節(jié)流閥，以保證對(duì)出入口阻力系數(shù)的控制;設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)段的加熱器分段可調(diào)，以保證加熱部分

3、長(zhǎng)度可調(diào)。根據(jù)析因分析結(jié)果和自主開(kāi)發(fā)的超臨界水自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)算程序EFDSCW1.0，設(shè)計(jì)并搭建了超臨界水自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。同時(shí)，設(shè)計(jì)了強(qiáng)迫循環(huán)雙通道實(shí)驗(yàn)段，為以后實(shí)驗(yàn)段改造奠定基礎(chǔ)。
　　其次，以上述所設(shè)計(jì)的超臨界水自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置及雙通道實(shí)驗(yàn)段為對(duì)象，開(kāi)展CFX數(shù)值模擬，得到了自然循環(huán)系統(tǒng)中的穩(wěn)定邊界，及雙通道系統(tǒng)內(nèi)脈動(dòng)振幅與脈動(dòng)周期隨各熱工參數(shù)的變化趨勢(shì)。在自然循環(huán)回路中，隨著加熱功率的增加，回路內(nèi)的自然循環(huán)流量出現(xiàn)了先

4、增加后減小的趨勢(shì);隨著系統(tǒng)壓力的增加，相同入口溫度下，穩(wěn)態(tài)流量逐漸減小，但是變化幅度很小。即系統(tǒng)壓力對(duì)自然循環(huán)系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)流量影響較小。對(duì)于雙通道系統(tǒng)，在不對(duì)稱(chēng)加熱的情況下，通道內(nèi)的脈動(dòng)振幅隨著不對(duì)稱(chēng)加熱程度的增加而增加，脈動(dòng)周期有所減小。入口溫度對(duì)流量脈動(dòng)的影響并不是單值性的，存在一個(gè)入口溫度閾值，在該值以下隨著入口溫度的增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱;在該值以上，隨著入口溫度的增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。增加系統(tǒng)的入口質(zhì)量流速，有助于增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性

5、。
　　再次，為了深入分析超臨界水流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，引入已有參考文獻(xiàn)中超臨界水流動(dòng)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在課題組已有的低壓兩相流實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分析了超臨界水與汽液兩相流在流動(dòng)不穩(wěn)定性方面的異同。在超臨界水及汽液兩相流中均出現(xiàn)小尺寸的通道更容易發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性的現(xiàn)象。對(duì)于超臨界水及汽液兩相流，給定幾何模型，在相同的入口流量、入口溫度及工作壓力下，逐漸增加系統(tǒng)的加熱功率，將存在一個(gè)功率閾值，加熱功率小于功率閾值時(shí)，系統(tǒng)流動(dòng)穩(wěn)定，一旦

6、加熱功率超過(guò)了穩(wěn)定閾值，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。超臨界水與汽液兩相流一樣，也存在密度波不穩(wěn)定性和流量漂移現(xiàn)象，但是超臨界水雙通道系統(tǒng)中流量漂移現(xiàn)象很難發(fā)生。給出超臨界水密度波不穩(wěn)定性的發(fā)生機(jī)理，即質(zhì)量流速，密度和壓降之間傳播的延遲和反饋?zhàn)饔茫斐傻牧髁?、密度等參?shù)的周期性脈動(dòng)。在所研究回路中，超臨界水密度波不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí)，脈動(dòng)振幅沒(méi)有氣液兩相流的劇烈，持續(xù)時(shí)間也比較短。同時(shí)發(fā)現(xiàn)超臨界水局部不穩(wěn)定性的發(fā)生破壞了壁面附近的“汽膜”，強(qiáng)化了傳熱過(guò)程

7、。通過(guò)分析公開(kāi)文獻(xiàn)中已有的超臨界水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了超臨界水摩擦系數(shù)計(jì)算模型。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超臨界水摩擦系數(shù)小于單相水摩擦系數(shù)，也小于汽液兩相流的摩擦系數(shù)。
　　最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析及引入遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，分析了超臨界水傳熱惡化現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏的狀態(tài)下，遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以模擬傳熱惡化現(xiàn)象。超臨界水的換熱系數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似汽液兩相流中，一段時(shí)間內(nèi)保持恒定不變的情況。超臨界水的換熱系數(shù)隨著加熱功率的增加先逐漸增加，達(dá)到一個(gè)峰值之后，開(kāi)始