简谐海洋条件下自然循环运行特性

基于两相漂移流模型建立简谐海洋条件下核动力装置自然循环理论分析模型;采用两群三维时空中子动力学模型描述堆芯中子的物理行为及控制棒调节系统的响应;利用研制的程序对核动力装置在摇摆条件下的自然循环运行特性及强迫循环向自然循环转换的过渡过程进行研究。结果表明:摇摆周期越小,影响越大;摇摆振幅越大,影响越大;相同摇摆周期与摇摆振幅条件下,纵摇对自然循环运行影响大;纵摇时,参数波动周期与摇摆周期相符,横摇时,参数波动周期为摇摆周期的一半;海洋条件引起过大的堆芯自然循环流量波动可造成功率自动调节控制棒的频繁动作,无法平稳实现强迫循环向自然循环的转换。

海洋条件下核动力装置自然循环流动特性的无量纲分析

利用无量纲分析法推导出海洋条件下核动力装置的自然循环流量表达式,导出了稳态自然循环流量方程,结果与实验值吻合。以自然循环流量的波动不引起功率调节系统动作为限制条件,采用无量纲分析法推导出此条件下摇摆振幅与摇摆周期的关系式;两者呈二次函数关系,理论计算结果与大型分析程序的计算结果吻合。功率调节系统动作与否取决于最大摇摆角加速度的大小,而与最大摇摆角速度无关。

摇摆条件下非能动余热排出系统的实验研究

在摇摆台架上对非能动余热排出系统进行了实验研究和数值模拟。在小摇摆振幅条件下,摇摆对系统影响较小,在大摇摆振幅条件下,系统的传热能力有一定程度的降低;摇摆条件下,系统的传热受传热系数、摩擦阻力和流速等因素的影响,而不是摇摆振幅和周期的简单函数。在RELAP5/MOD3.2程序的基础上,用漂移流模型代替两流体模型,通过修正混合物动量方程、提升压降、冷凝传热关系式和添加矩阵求逆模块研制了摇摆条件下非能动余热排出系统的计算分析软件。对实验进行了数值模拟,结果与实验比较吻合。

摇摆条件下矩形通道内层流传热特性的数学分析

对摇摆条件下矩形通道内的层流特性进行了理论分析。推导出摇摆条件下的速度和温度关系式,并由此得到传热系数关系式。Nu的平均值与位置有关;瞬时Nu的波动振幅随Pr的增加而增加;瞬时Nu与摇摆运动之间的相位差为45°。

稠密栅元内湍流流体的流动传热

本文对稠密栅元内的湍流流动和传热特性进行了分析。首先利用实验数据对计算结果进行了验证,然后分析了Re和P/D等参数对稠密栅元内的摩擦阻力系数和传热系数的影响。Re和P/D均会对稠密栅元内的流动传热特性产生显著影响,但传统的理论模型无法描述P/D对栅元内的摩擦阻力系数和传热系数的影响。P/D=1.03是一临界点,这种条件下的稠密栅元内的流动和传热是最安全的,也是最高效的。此时核反应堆的功率和系统的传热能力可同时达到最大。

摇摆条件下矩形管内湍流流动特性的LES研究

采用FLUENT软件和大涡模拟方法对摇摆条件下矩形通道内的湍流流体进行了理论研究,分析了各种摇摆条件和矩形通道尺寸对湍流流体流动特性的影响。结果表明,当矩形管比较窄时,管壁会抑制摇摆运动对湍流流体的影响;当摇摆幅度比较小时,摇摆运动对湍流流体的影响比较小;随着矩形管长宽比的减小,管壁上湍流摩擦阻力系数逐渐减小,并呈波形曲线分布或斜坡状分布;当摇摆幅度比较大时,矩形管内流体会在π/2相位时先出现倒流现象;随着摇摆周期的减小,管壁上的摩擦阻力系数先减小,然后增加。

摇摆条件下热工水力程序的研制与验证

在RELAP5/MOD3.3程序的基础上,通过添加计算摇摆因素的模块和引入新的流动传热模型以对原程序进行修正,从而建立了摇摆条件下的热工水力分析程序。利用实验结果对理论模型和程序计算结果进行了校核和验证。结果表明:本文采用的流动传热模型可准确计算出摇摆条件下的摩擦阻力系数和传热系数,建立的热工水力分析程序也可对摇摆条件下的热工水力系统进行模拟。

摇摆条件对湍流流动特性的影响

利用Fluent软件对摇摆条件下矩形管内的湍流流体进行理论分析,分析了多种湍流模型和多个参数对流动特性的影响。在摇摆条件下,矩形管中心区域速度分布趋于均匀化,但壁面附近的速度梯度增大,从而使摩擦阻力系数增加。壁面会对摇摆条件对湍流流体的影响产生抑制作用。在纵摇条件下,小长宽比矩形管内速度等高线成哑铃状分布。对于本文的计算流体,摇摆条件下的湍流摩擦阻力系数与Re的0.47次方成反比。

摇摆对非能动余热排出系统自然循环能力影响的试验研究

在摇摆台架上对摇摆条件下的非能动余热排出系统的自然循环能力及其相关特性进行了试验研究。分析了附加压降和重位压降对流动特性的影响,以及摇摆条件下的重位压降和流动阻力对流速的影响。结果表明:摇摆条件下,非能动余热排出系统自然循环能力下降。摇摆振幅越大,平均凝水流量越小,波动幅度越大;凝水流量最小值随摇摆振幅的增大而下降很多,但凝水流量最大值变化较小。系统参数变化与摇摆周期关系不大。附加压降不会对平均流速产生影响,重位压降对平均流速的影响与周期无关。重位压降对流速的影响比流动阻力的影响小得多。随着摇摆振幅的增加,流动阻力对平均流速的影响略有降低。

改进的并联管内两相流密度波脉动线性均相模型

提出了改进的并联管两相流密度波脉动线性均相模型,并导出了两个稳定性边界,是文献[1]的一种推广。当λL/d<4时,增加λL/d可降低稳定性下边界;当λL/d≥4时,稳定性下边界恒为零。稳定性下边界唯一由λL/d决定,但稳定性上边界由λL/d和l2ρLsinα/(2q2m)两者共同决定。本文结果的一种特殊形式已在文献[1]中用实验进行了验证,两者吻合较好。

海洋条件对棒束间湍流流动传热的影响

对海洋条件下典型7棒束和4棒束通道内的流体流动传热特性进行理论分析。分析结果表明,在海洋条件下,由于流速的波动,加热管壁上始终有周期性变化的蓄热存在。在7棒束通道内,由于四周壁面和加热管管壁的限制作用,垂直于流动方向的附加力对流体的影响非常小,流体的流动和传热特性主要由轴向湍流强度和入口流速决定。而在4棒束通道内,由于壁面的限制作用比较小,垂直于流动方向的附加力会对流体的流动和传热特性产生显著的影响,也会对雷诺应力的分布产生一定的影响。

通道尺寸对稠密栅元内湍流流体的影响

利用CFD软件FLUENT对37棒束内的湍流流体进行分析,利用实验数据对计算结果进行验证,然后分析棒-棒间隙的减小对稠密栅元内流动交混和相干结构的影响。随着P/D的减小,大尺度相干结构运动越来越显著,由此带来的横向动量和能量交换也越来越明显。栅元的临界P/D约为1.03,此时栅元的换热条件基本上处于最佳状态。当P/D=1.01时,栅元内几乎不存在大尺度相干结构,此时通道间几乎没有动量和能量交换,换热条件也非常不理想。

稠密栅元内湍流流体的数值模拟

采用CFD软件Fluent对37棒束内的湍流流体进行了分析。利用实验数据对计算结果进行了验证,分析了棒-棒间隙的减小对稠密栅元内局部流动、传热和相干结构的影响。稠密栅元的临界P/D(棒间距/棒直径)约为1.03。随着P/D减小,相干结构和流体交混先增加然后迅速衰减。当通道间隙非常小时,相干结构运动非常弱以至于可将其忽略。其流速、壁面剪应力和壁面温度的波动也非常小,但其参数的空间分布的差异非常明显。

摇摆条件下矩形管内流体流动模型

建立了摇摆条件下矩形管内层流流动模型,推导出了速度分布表达式,分析了摇摆运动对矩形管内层流流动的影响。离心力的作用在系统中被相互抵消。切向力会引起速度波动,速度波动周期因而与摇摆周期一致。切向力不会改变平均速度分布,因而不会改变层流平均摩擦阻力系数。在矩形管内的层流流体中也会出现Richardson效应。

摇摆条件下圆管内的摩擦阻力模型

对摇摆条件下的层流和湍流流体的受力特性进行了分析。从Navier-Stokes方程出发建立了摇摆条件下层流和湍流流体的流动模型,推导出了摇摆条件下圆管内层流和湍流流体的速度表达式和摩擦阻力系数表达式。分析了摇摆条件对流体流动特性的影响机理。将理论模型与实验结果进行了比较验证,两者较为吻合。

摇摆条件下子通道内湍流流体的数值分析

利用FLUENT软件分析了摇摆条件对典型四棒束间的湍流流体流动和传热特性的影响机理。摇摆运动会对棒束间流体的流动传热特性产生一定影响。RSM模型可以很好地描述摇摆条件下子通道内的参数分布。摇摆周期变化带来的径向附加力的变化不会对摩擦阻力系数、传热系数和Reynolds应力产生影响。在摇摆条件下,摩擦阻力系数、传热系数和Reynolds应力呈周期性变化,但最大摩擦阻力系数所在时刻并不固定,而最大传热系数却始终是在流速最大的时刻。

摇摆对圆管内层流温度分布的影响

对摇摆条件下的层流流体进行理论分析。推导出了摇摆条件下圆管内层流流体的速度和温度分布。分析了摇摆运动对流体温度的影响。摇摆条件下,流体温度呈周期性波动,波动周期为摇摆周期的1/2。在管壁附近,温度梯度很大。摇摆运动引起的附加力可改变圆管内的速度分布,进而改变管壁处的温度梯度增强传热。

摇摆条件下圆管内层流摩擦阻力的理论研究

建立了摇摆条件下圆管内的层流流动模型,推导出无量纲化的速度表达式,得到摩擦阻力系数关系式。在所有附加力中,只有切向力对流体产生影响,离心力和科氏惯性力的影响相互抵消。平均摩擦阻力系数与非摇摆条件下的表达式相同。摇摆运动对层流摩擦阻力系数的影响随着雷诺数(Re)的增加而逐渐减小。

基于分数Maxwell模型对摇摆条件下流体流动特性的理论分析

针对初始速度为零的流体,利用分数Maxwell模型对摇摆条件下圆管内的流体流动特性进行了理论分析。推导出了摇摆条件下的流体流动速度表达式。分析了摇摆运动对非牛顿流体和牛顿流体流动速度的影响和速度峰值与管壁处的速度梯度的变化规律。与非牛顿流体相比,牛顿流体受摇摆运动的影响更加平均。管壁处速度梯度变化规律与速度峰值变化规律相类似,二者波动周期均为摇摆周期的一半。

摇摆条件下典型通道间湍流的流动传热特性

利用Fluent软件分析了摇摆条件对典型四棒束间的湍流流体流动和传热特性的影响机理。摇摆运动会对棒束间流体的流动传热特性产生一定影响,但不会对绝热通道与加热通道内流体流动相似性产生影响。而当摇摆幅度较大时,径向附加力会使通道横截面上的参数分布发生显著的变化,进而影响流体的流动与传热特性。在摇摆条件下,随着P/D(棒间距/棒直径)的逐渐减小,尤其是小于1.1时,典型棒束间流体的流动传热特性发生明显变化。