CO_(2)-SF_(6)混合工质布雷顿循环特性初步分析

超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环是近年来备受学界与工业界关注的高效能量转换系统,具有系统简单紧凑、噪声小、效率高等优点。然而,目前的S-CO_(2)布雷顿循环研究通常考虑的是环境温度为20℃的应用场景,循环最低温度通常为32℃,而未对深海、极地等低温冷源场景做适应性的分析优化。CO_(2)-SF_(6)混合工质有着较纯CO_(2)工质更低的临界参数,有望在低温冷源场景下进一步降低压缩功、提升透平压比,进而提高循环效率。本文选取PR方程与范德瓦尔斯混合规则,使用Nishiumi相互作用系数模型计算了相互作用系数,以及CO_(2)-SF_(6)混合物的热物性,计算值与实验结果吻合良好。基于混合工质物性计算模型,对最高压力12 MPa、循环最低温度15~55℃、最低压力略高于临界压力的简单回热循环进行了分析。结果表明,用CO_(2)-SF_(6)混合工质代替纯CO_(2)工质可有效提升透平压比,进而提升循环效率,同时降低临界温度及最优压缩机入口温度。并且使用CO_(2)-SF_(6)混合工质可有效改善压缩机入口温度低于拟临界温度时循环效率下降的问题,提高循环在低温冷源下的稳定性。初步分析结果显示,使用CO_(2)-SF_(6)混合工质替代纯CO_(2)工质可有效提升循环在低温冷源环境下的表现,这也表明混合工质方案是拓展S-CO_(2)布雷顿循环适用温度范围的有效解决方案之一。

计算流体力学应用于子通道分析的初步方法研究

多尺度耦合分析是目前开展反应堆安全分析的一种趋势,常规的多尺度耦合是将不同程序通过一公共耦合平台实现数据间的传递和交换。本文提出一种新的多尺度耦合思路,认为基于相对小尺度的分析手段可扩展应用至大尺度,并用计算流体力学(CFD)应用于子通道尺度的数值模拟方法进行验证。验证结果表明,该方法具有一定的合理性,但这种方法对湍流交混能力的考虑仍存在欠缺,还需进一步改进。

2×2棒束内超临界水传热特性数值研究

复杂通道是介于典型通道和典型栅元之间的几何结构,在通道形状、加热方式等方面更接近于原型组件。本文以小棒束2×2结构为分析对象,采用计算流体力学(CFD)工具分析组件内的温场特征,并讨论热流密度、质量流速等热工参数对通道平均换热系数的影响。结果表明,减小热流密度、增加质量流速都会增强换热。棒束结构的壁面温度分布存在明显的周向不均匀性,固体壁面导热会有效抑制这种周向不均匀性,进而增强通道的换热能力。

基于二级相变理论的超临界拟临界区划分方法

拟临界区通常意义上是指超临界条件下拟临界点附近物性变化剧烈的区域,在该区域内超临界流体的传质、传热行为与亚临界流体有很大不同,传统的亚临界热工水力分析模型已不适用,因此拟临界区是超临界流体热工水力特性研究的重点区域。本文基于拟临界区的热力学性质提出一种新的划分方法,认为超临界条件下高密度流体与低密度流体的转变满足二级相变理论,表面张力消失点为拟临界区的起始点,拟临界温度是相转变点,拟临界区的起始点和终止点满足Ehrenfest相变平衡方程。。

反应堆压力容器下腔室交混特性的数值模拟方法研究

反应堆冷却剂系统蒸汽管道发生破口事故后,硼溶液在反应堆压力容器下腔室的对流交混特性对于反应堆安全分析及事故后缓解与抑制策略制定均有重要作用。本文基于实验结果分析了反应堆压力容器下腔室的交混特性及浓度扩散过程,采用数值模拟方法结合实验数据比较了几种主要模型计算结果的准确性与可靠性。分析结果表明,压力容器下腔室的交混特性呈现出外围扩散特征,温度梯度法与组分输运模型具备描述浓度梯度扩散过程的能力,但在细节分布上仍存在进一步改善与优化的空间。

基于中子随机输运理论的物理-热工耦合研究

基于随机输运理论的中子动力学与热工水力的耦合可实现对不同程序的控制和数据传递。本工作研究基于单根燃料棒和3×3燃料棒束的MCNP5程序与CFD程序CFX的耦合。使用该耦合程序对先进球床高温反应堆(PB-AHTR)的堆芯进行计算,并与MCNP5与RELAP5-3D耦合程序的计算结果进行比较。由计算结果可见:在不同初始状态下,有效增殖因数经若干耦合计算后均趋于稳定,但伴随一定波动。结果表明,中子动力学与CFD的瞬态耦合是可行的,但其计算精确度和实用性需进一步验证研究。

超临界二氧化碳布雷顿循环热力学优化研究

超临界二氧化碳布雷顿循环是核能技术创新的重要选择。基于热力学第一定律,开展了超临界二氧化碳布雷顿循环热力学分析与优化研究。为进一步提高转换效率,提出了双级分流压缩循环方案,开展了热力学特性分析和评价,获得了间冷、再热对系统效率的影响规律,并与传统再压缩循环进行了定量比较。研究表明:本文提出的双级分流压缩循环比传统再压缩循环的热效率可提高1~2个百分点,带间冷和再热时热效率可提高近3个百分点。

超临界流体物性畸变特性的多尺度研究

为填补超临界流体物性畸变特性的理论空白,本文分别从微观尺度的分子动力学模拟、介观尺度的平均场理论和标度理论及宏观尺度的物性测量实验等方面展开研究。应用分子动力学模拟方法得到了跨越拟临界点时二氧化碳体系的微观结构特性,通过分析双体分布函数等结构参数的变化规律得到了物性畸变的分子动力学机理。基于朗道二级相变理论和标度理论,提出了一种考虑外场的气液相变模型,定量预测了超临界流体在拟临界区附近和趋于临界点时密度、定压比热等热力学量的畸变规律。在宏观尺度方面,本文开展了超临界二氧化碳密度、定压比热、黏度的高精度测量实验,指出了现有物性计算模型的潜在缺陷。研究结果表明,对于不同的超临界流体,临界点和拟临界区附近的物性畸变特性存在普适规律。在相图上,超临界流体区可进一步划分为4个区域:临界点邻域、类气区、类液区和拟临界区。不同区域内,超临界流体特性由不同尺度下的影响机制所主导。

蚀刻后折角圆弧对折线微通道内流动换热特性的影响分析

应用实验测量结合数值模拟的方法研究了蚀刻后折角圆弧对折线微通道内流动换热特性的影响。实验测量结果表明,化学蚀刻过程中的侧蚀现象必然导致折线流道折角处产生圆弧过渡,且圆弧半径随流道倾角的增加呈幂函数衰减。数值模拟结果表明:扰流角处圆弧过渡将显著顺滑流动而不显著地降低换热,45°流道倾角时,折角处圆弧过渡可使单位长度压降减小约91.9%,Nu最大将减小12.5%;当流道倾角<45°时,导流角弧度半径影响较小,建立流道模型时可设定导流角弧度半径等于扰流角弧度半径以简化模型;折角处圆弧过渡的复合折线流道形式是折线微流道结构优化的重要方向,且流道倾角越大优化效果越明显。

超临界水通道内压降特性分析

超临界水冷堆是以超临界水作为冷却剂和慢化剂的第4代核能系统之一,超临界水在拟临界区附近剧烈的物性变化会给通道内的压降特性带来影响。本文分析了超临界条件下重力压降、加速压降和摩擦压降的特点,并对具体的计算方式提供了一些建议和参考:重力压降需考虑沿程的积分效应;基于隐式PKN公式得到了显式PKN公式,用于求解等温流动摩擦系数;采用CFD数值分析工具比较了超临界条件下不同摩擦关系式的异同,发现Kirillov公式与CFD计算结果较为接近。

超临界CO_(2)瞬态边界传热相移干涉实验

本文基于相移干涉测量法高空间、时间分辨率定量可视化测量了近临界流体瞬态热对流边界层温度场。实验选取了两种具有不同临界距离的工况点,使用相移干涉测量方法获得了时间连续的全场相位信息,经过一系列处理后得到了高时间、空间分辨率的温度场可视化图像。研究获得了超临界传热过程中流体区域的全局温度场,定量分析了拟临界线附近不同工况点之间传热特征。

基于超临界二氧化碳梳齿密封泄漏实验对现有计算模型评价

超临界二氧化碳布雷顿循环系统凭借着效率高、结构紧凑等特点引起了全世界的关注。梳齿式密封作为循环系统旋转机械中非接触式密封形式之一,密封性能决定着系统的循环效率和系统安全性。为了研究超临界二氧化碳系统直通式梳齿密封结构泄漏特性,基于高压条件下梳齿密封结构27组实验数据,评价了2种迭代式计算模型以及2种快速计算模型的预测能力,给出了不同结构参数及热力学参数条件下的适用范围。

基于不同状态方程的拟临界线计算方法及对拟临界区的划分

超临界流体在拟临界区内物性会发生剧烈变化。为建立拟临界区的划分方式,本文以超临界二氧化碳为研究对象,首先基于Van der Waals、Redlich-Kwong和Soave-Redlich-Kwong3个不同精度的状态方程分别计算获得了对应的拟临界线;然后基于连续相变理论,通过Ehrenfest方程确定了拟临界区;最后根据拟临界区划分结果,与传热退化发生的区域进行匹配,分析了不同区域内影响传热退化行为的内在机制。结果表明浮生力效应在拟临界区前和拟临界区之内对传热恶化起主导作用,流动加速效应在拟临界区之后起主导作用。

超临界水冷堆热工水力与安全研发

超临界水冷堆是第四代核能系统国际论坛确定的六种先进堆型中唯一的水冷堆。由于超临界水作为冷却剂以及超临界水在物理相态的特有属性,使其在热工水力方面有着独特的表现。本文介绍了超临界水冷堆热工水力的总体要求,描述了典型热工水力过程的基本特点及目前主要研发进展,着眼于超临界水冷堆工程提出了后续研发任务,以及未来超临界水冷堆的发展建议。

含绕丝2×2棒束内超临界水传热特性数值研究

超临界水冷堆燃料组件多采用稠密栅格布置,用绕丝进行定位,绕丝可增强通道间的交混能力,对通道的换热特征会产生明显影响。以含绕丝的小棒束2×2组件为分析对象,采用计算流体动力学(CFD)方法分析超临界条件下绕丝对换热特征的影响。分析结果表明:绕丝会改善通道的换热能力,抑制周向不均匀分布,但也可能在局部产生壁温峰值。在数值计算中发现壁温峰值的成因有两类,并对二者的成因进一步叙述,分析绕丝结构参数对换热特性的影响。

超临界水冷堆研发进展

超临界水冷堆(SCWR)是第四代核能系统国际论坛(GIF)确定的6种堆型中唯一的水冷堆。本文描述了SCWR的技术特点,回顾了我国SCWR的研发历程,简要梳理了国际上加拿大、欧盟、日本等在SCWR方面的最新研发情况。最后,本文总结了SCWR的技术优势、面临的技术挑战和发展机遇。

超临界流体密度波不稳定性的理论分析

超临界水的流动不稳定性是超临界水冷堆热工水力设计的重要准则之一。本文基于亚临界并联通道密度波不稳定性的线性稳定性分析方法,结合超临界流体二级相变的定义方式,提出用于超临界流体密度波不稳定性分析的理论方法。该方法经与试验数据的对比验证,表明该方法的预测合理性;该方法可用于分析进出口阻力系数、入口温度、运行压力等参数对于不稳定边界的影响。研究结果表明,单纯增加进口阻力系数或降低出口阻力系数会增加系统稳定性;超临界条件相比亚临界条件更不容易发生流动不稳定性。

并联通道内超临界水流动不稳定性的数值模拟研究

超临界水的流动不稳定性特征研究是超临界水冷堆热工水力设计的重点,为进一步获得超临界水流动不稳定性发生的内部机理,采用系统分析程序RELAP5对已有实验本体进行建模,并基于已有超临界水不稳定性实验数据开展了计算方法的验证;系统研究了并联通道内超临界水的流动不稳定性规律,并对比研究了超临界水与亚临界水的不稳定边界。结果表明,超临界水的流动不稳定界限功率随入口温度的增加存在变化拐点;相同入口温度下,随压力上升,不稳定界限功率增加,超临界水相比亚临界气-液两相流具有更好的稳定性;无量纲准则数在超临界条件下具有适用性,超临界水不稳定性变化规律与亚临界水具有相似性。

超临界水圆管传热实验的偏差敏感性分析

从敏感性的角度分析超临界水在拟临界区特殊的物性变化对于壁温偏差的放大作用。首先以超临界传热公式为例讨论换热系数对热工参数的敏感性,然后以超临界圆管实验为例,讨论对称布置的热电偶测量到的壁温偏差在拟临界区的放大效果。分析表明:拟临界区的物性因素可能使圆管的周向均匀性特征不再满足,这是造成传热公式分散性的可能原因之一。

CSR1000带肋子通道程序验证及分析

超临界水冷堆燃料组件多采用绕肋进行自定位,绕肋对于组件热工水力特性的影响较为复杂。在超临界子通道程序ATHAS的基础上改进绕肋处理模块,并基于计算流体力学(CFD)工具对绕肋模型进行验证。改进后的子通道分析程序整体上能够反映出不同通道的变化趋势,对绕肋的几何参数变化也能做出较为合理的响应,证明绕肋模型正确;但在部分通道的预测上仍需要进一步改进。