气流粉碎系统的低速高精度刮板式给料器设计

针对现有给料器在低运量下精度受限的问题,依托气流粉碎系统,基于颗粒运动受力分析和刮板迷宫结构几何构造,设计开发了低速高精度刮板式给料器。该给料器的刮板型线设计为阿基米德螺线,确保了颗粒在刮板各处的均匀受力,解决了直线刮板的质量流率不均匀问题。以150μm粒径的石墨颗粒为研究对象,开展不同刮板高度和转速下的给料器性能测试,结果表明该刮板式给料器在1~60 g/h给料范围内具有良好的精度和给料线性度,给料性能满足气流粉碎系统的需求,具有较高的实用性。

球床式高温气冷堆球流及球床辐射的理论与实验研究进展

球床堆芯的球流及等效导热系数是直接影响球床式高温气冷堆设计、运行和安全的重要依据,具有重要的意义。清华大学核能与新能源技术研究院近年对球流和球床等效导热系数进行了实验测量、理论研究和数值模拟,全面深入地揭示了球流规律、球流纺及径向内扩散规律、球床几何优化、物性参数影响、球流流态表征及刻画、球床等效导热系数建模等。本文对此进行了回顾总结,并指出了下一步的研究方向。

小型模块式反应堆螺旋管蒸汽发生器设计和热工水力分析

近年来,国际上一体化小型模块式反应堆发展飞速,我国也正在加速研制一体化小型模块式反应堆。本文针对15 MW的一体化小型模块式反应堆,设计一种螺旋管式蒸汽发生器,共12个蒸汽发生器组件均匀分布在反应堆堆芯围板外侧和压力容器内侧壁的环形空间中,每个组件含5层、25根螺旋管,整个蒸汽发生器共300根螺旋管。给出了蒸汽发生器的具体参数,分析了蒸汽发生器组件中换热系数、温度、温差和热流密度等沿管长的变化,并给出了螺旋管内流体的动力特性曲线。

不均匀加热与节流对平行通道不稳定性的影响

为研究反应堆内轴向热流不均匀分布、径向不均匀加热和入口节流对密度波不稳定的影响,利用RELAP5/MOD4.0程序对强迫循环平行通道系统进行数值模拟.由程序中的非平衡非均相模型和半隐式数值格式所得计算结果与实验数据符合较好.对比轴向热流线性分布及余弦分布工况下的流动不稳定边界,并做出积分热流沿通道长度的变化曲线以分析其机理,还获取了径向不均匀加热与入口节流工况下系统和通道的临界相变数.结果表明:轴向热流不均匀分布时系统的稳定性取决于沸腾边界的位置以及积分热流沿通道的分布.与轴向热流均匀分布相比,轴向热流线性增大或减小分别使系统稳定性增强或减弱;入口过冷度较低时,轴向热流余弦分布提高系统稳定性;入口过冷度较高时,系统稳定性可能增强也可能减弱.与轴向热流余弦分布相比,峰值偏向入口或出口分别会降低或提高系统稳定性.径向不均匀加热对系统稳定性影响较小.增大径向入口节流不均匀性时系统稳定性有减小的趋势,增大任一通道入口节流系数均可提高系统的稳定性.

压水堆破口失水事故喷放阶段综述

该文综述了压水堆破口事故发生后冷却剂(水)最先经历的喷放阶段相关研究,系统地介绍了破口失水事故的分类以及最危险的破口失水事故,分析了不同尺寸破口事故喷放阶段的物理过程。按照不同的空泡份额将喷放阶段科学划分为不同区域,归纳了各不同阶段最为适用的理论经典模型,指出了各现有喷放理论模型相应的局限性,提出针对性意见,总结破口失水事故喷放阶段研究中亟待解决的关键问题,汇总了临界热流密度和闪蒸等重要物理现象的国内外重要与最新的研究结果。该文对喷放阶段后续的深入理论研究具有借鉴与启发意义,为实际破口事故中确保压水堆的安全提供了理论指导。

临界热流密度实验技术研究进展

临界热流密度(CHF)是反应堆重要的限制性热工水力参数之一,它的大小直接影响了反应堆的安全性和经济性。由于CHF涉及沸腾、两相流等复杂的物理现象,因此通常采用实验的方式来获取。该文介绍了国内外临界热流密度相关的机理性实验和工程性实验研究工作,总结了实验技术相关方面的特点,可为反应堆热工水力学中CHF相关的实验研究提供技术参考。

压水堆核电站大破口失水事故分析

压水堆核电站安全分析报告是核安全监管部门对其进行安全审查的重要文件,大破口失水事故是核电站运行的设计基准事故,是安全分析报告中的重要内容。本文使用RELAP5/MOD3.2进行压水堆冷管段大破口失水事故的计算,对比发现一回路冷管段发生双端断裂大破口时燃料元件包壳温度峰值(PCT)最高,且长时间维持在较高温度,此条件下反应堆最危险。计算结果表明,事故发生后,一回路压力迅速下降,堆芯冷却剂的流动性变差,导致堆芯裸露,燃料包壳温度又重新回升。通过安注系统和辅助给水系统等一系列动作,能保证燃料元件包壳温度不超过1204℃的限值。

球团流与球流在球床内的混合卸料特性研究

为更好地了解球床中球团与单球的双组分体系的流动特性,本文采用离散单元法模拟分析了球床中球团与单球二元混合颗粒材料的卸料特性。球团由3个粘接的单球通过刚性bond组合而成,形成60°、90°、120°和180°夹角。不同数量占比的球团和单球从球床底部的卸料口混合卸出,定量分析了球团组合夹角和球团数量占比对球床双组分混合球流流动特性的影响。研究结果表明,球团的存在会降低卸料速率,定量分析该降低程度与球团的粘接夹角及球团数量占比的关系后,发现卸料速率与二者均存在一定负相关性,即卸料速率随球团夹角及球团数量占比的增加而减小。

螺旋直径对螺旋管泡状流截面分布特性的影响

研究了不同螺旋直径螺旋管中泡状流的相界面参数(空泡份额、相界面浓度、气泡尺寸等)的截面分布特性。通过图像法标定了电导探针的测试精度,并通过合理地处理双头电导探针,得到了螺旋管中泡状流的空泡份额、相界面浓度和气泡数量频率的定量分布云图。为进一步量化地描述相界面参数的分布特征,采用统计方法定义了截面平均参数、相界面离散系数和气泡平均聚集坐标来表征其特性。实验结果表明,随着管道旋转直径的增大,气泡截面平均空泡份额有所下降,分布范围缩小,平均聚集坐标向上方和外侧移动,气泡尺寸整体上有所下降。

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method,MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法,MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题.本研究针对MPS方法中存在的压力振荡现象,首先将实际的物理问题简化为一维模型,并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时,加入了粒子碰撞模型,通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟,结果表明随着碰撞系数的增加,粒子数密度偏差的波动幅度都会减小,从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响,结果表明:采用高斯核函数时,压力振荡的幅度更小,这是因为采用高斯核函数时,相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性,这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动,从而产生压力振荡,因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.

超临界CO2在螺旋管中的流动换热特性研究

超临界蒸发器应用到核电中,可大幅提高机组的热效率。超临界压力流体的热物性在准临界温度附近变化非常剧烈,会对其流动和换热产生很大的影响。研究超临界压力流体在螺旋管内的流动和换热规律,有利于对超临界螺旋管蒸发器的设计。本文采用RNGk-ε和SSTk-ω模型对超临界CO_2在螺旋管中的流动换热情况进行了数值模拟,发现SSTk-ω模型模拟结果与实验结果符合得更好。基于此模型,分析了不同进口质量流速及不同热流密度对管壁温和换热系数的影响,发现随着质量流速的减小、热流密度的增加,峰值向远离hpc的一侧偏移。最后讨论并分析了周向壁温和换热系数的分布情况,发现壁温在φ=315°处最高,需在实验操作或实际运行中加以监控,以保障螺旋管蒸发器的安全运行。

自然循环中冷凝液滴自由表面识别的改进

自然循环过冷沸腾过程是第3代核电站非能动安全性的基础,该过程中冷凝液滴的传热计算对核电站的安全性具有重要意义。本研究采用移动粒子半隐式(MPS)方法对该过程进行模拟。为了对该过程中冷凝液滴传热传质界面的识别进行改进和优化,提出一种基于全局扫描的自由表面识别方案,将该方案以及其他3种典型的自由表面识别方案应用于冷凝液滴撞击液面问题。结果表明:采用粒子数密度法的自由表面识别方案、采用法向量扫描的自由表面识别方案和采用弧度法的自由表面识别方案皆因其方法本身的缺陷而无法精确地对液滴自由表面进行识别;而采用全局扫描的自由表面识别方案,能克服上述方法的缺陷,准确地对自由表面粒子进行识别,且其求解得到的压力场与物理实际最为接近。这种新型的基于全局扫描的自由表面识别方案为今后计算冷凝液滴交界面处传热传质问题打下了良好的基础。

高温气冷堆内含硼碳材料吸湿特性与扩散系数研究

高温气冷堆(HTGR)是世界上首座具有第四代核电特征的堆型,堆内装载了大量石墨和碳作为结构材料和燃料元件基体。碳素材料是一种多孔材料,常温下吸附空气中的水分等杂质。高温气冷堆的初装堆除湿过程和事故后除湿过程,由水分扩散性能决定。通过含硼碳(BC)材料动态吸湿实验得到水分质量变化曲线,将其与模拟结果拟合得到材料中水分的有效扩散系数De=7.30×10-10 m2/s。通过吸湿实验得到湿度和温度对平衡吸湿量的影响。环境湿度越高,平衡吸湿量越大,二者近似呈线性关系;温度越高,平衡吸湿量越小。

基于LB方法的管内流动沸腾传热模拟

为研究竖直管内流动沸腾的传热情况及气泡行为学,采用格子玻尔兹曼(LB)方法,利用改进后的伪势模型和热模型分别模拟流动和传热过程。为验证模型的合理性,对模拟结果与经验关系式进行了定量对比。之后对气泡行为对沸腾传热系数的影响进行了研究,结果表明,随着气泡的核化、生长、滑移和脱离,传热系数呈现周期性波动。最后考察了重力加速度对气泡行为和沸腾传热的影响,重力越大,气泡生长周期越短,沸腾传热系数越大。

基于弹塑性接触和渗流模型的静密封泄漏计算

针对核电厂静密封泄漏率的计算,该文使用弹塑性接触理论构建了密封界面的泄漏通道模型,使用渗流理论计算泄漏通道的泄漏率。研究了载荷、密封表面形貌参数对泄漏通道的孔隙、渗流特征的影响。计算结果表明:随着静密封所受载荷不断增加,静密封界面间泄漏通道的孔隙率、渗透率不断减小,使泄漏率持续减小。在不同载荷水平下,泄漏率减小的趋势也不同。密封面的表面形貌影响密封面抵抗变形的能力,在材料属性不变的前提下,塑性指数较高的密封面会对密封产生不利影响。泄漏通道呈现自相似特征,因此可以通过泄漏通道的孔隙率推测其渗透率。

还原氧化石墨烯纳米流体池沸腾强化换热实验

以还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)纳米流体为实验工质,进行常压下的饱和池沸腾换热特性实验研究,并使用高速摄像机记录沸腾过程中的气泡形态,分析数据和图像结果。实验结果表明:RGO纳米流体对池沸腾的临界热流密度(critical heat flux,CHF)有明显提升作用,使其达到了1684.22kW/m^(2),相较于蒸馏水工质提高了49.2%,但对沸腾换热系数(heat transfer coefficient,HTC)的影响幅度不大,HTC只达到73.87kW/(m^(2)·K),相较于蒸馏水工质提高了2.3%,在相同热流密度下,RGO纳米流体对壁面过热度的影响并不明显。通过对加热表面接触角的测量及汽泡可视化图像的分析发现:RGO纳米流体沸腾过程中在加热表面形成的沉积层是促使CHF提高的核心因素,其改变了加热表面的润湿性和汽化核心数,降低了加热表面气泡的脱离直径,提高了脱离频率,从而实现CHF的延迟出现。

折流板液滴分离的OpenFOAM模拟及验证

为预测折流板中的气液两相流行为,使用OpenFOAM基于Euler-Lagrangian方法以液滴为离散相、气流为连续相模拟了折流板中离散相与连续相双向耦合的流动。其中离散相受曳力作用,连续相分别使用了标准k-ε模型与k-ωSST模型进行模拟。本文介绍了网格的划分,对于OpenFOAM生成的Lagrangian粒子坐标的后处理以及基于OpenFOAM编写的折流板汽水分离效率程序。计算得到不同湍流模型在不同网格下的连续相流场、连续相速度场以及汽水分离效率与实验数据的对比。结果表明,无论是连续相还是离散相,湍流模型相较于网格对于结果的影响更大,k-ωSST模型计算结果更加准确,模型对于大尺寸直径的液滴分离效率预测准确,但是对于小直径液滴的分离效率预测不够准确。

竖直通道内饱和蒸汽凝结换热数值模拟

在依靠自然循环驱动的小型模块化反应堆主回路以及反应堆非能动安全系统中,冷凝换热是热交换过程的重要一环,因此对冷凝换热过程的深入研究和分析对提升换热效率、保障堆芯安全至关重要。该文基于格子Boltzmann方法,采用伪势模型,模拟研究了二维通道内静止饱和蒸汽在凝结过程中的流动和换热特性。结果表明:蒸汽冷凝会自发驱动蒸汽流动,蒸汽质量流速与通道宽度和凝结过程中的热流流量有关,保持壁面温度和通道宽度恒定状态下,液膜发展阶段壁面热流较大时,蒸汽质量流速增长较快;通道较窄时,入口处蒸汽平均质量流速初期增速较快但迅速达到稳态,通道宽度为150时的稳态入口平均质量流速约是通道宽度为500时的80.0%。对接触角的分析表明:亲水壁面上的液膜厚度受壁面亲水程度影响较小,壁面接触角为51°时出口处液膜厚度与接触角为72°时的相等。普通疏水壁面上珠状凝结难以维持,被液膜覆盖后相较于亲水壁面传热速率较慢,液膜滑移出计算域之前,壁面接触角为127°时壁面平均热流密度最大值约是接触角为51°时的75.8%,并随液膜滑移逐渐降低,但液膜受重力去除后再形成的过程能在一定范围内强化传热速率。

小型一体化全功率自然循环压水堆NHR200-Ⅱ技术特点及热力市场应用分析

在减少温室气体排放、缓解空气污染的需求背景下,减少化石能源消耗、增加核能在一次能源消耗中的占比,已成为科技界和产业界的共识。清华大学聚焦居民供热、工业蒸汽、海水淡化等需求,同时兼顾偏远地区发电需要,自主研发了能够产生1.6 MPa饱和蒸汽的小型模块化压水堆NHR200-Ⅱ。该堆采用一体化布置、全功率自然循环、自稳压、非能动安全的设计理念,设有中间隔离回路,可实际消除大规模放射性释放、技术上无需采取场外应急措施,可贴近城市周边和最终用户建设;同时,系统设计简化、运行操纵简单、放射性废物量少,保障了该技术具有经济竞争力。经过试验堆建设和30余年的持续攻关,该技术已具备示范应用条件。

石墨烯强化沸腾传热研究进展及应用综述

石墨烯作为一种21世纪初发现的新材料,因其在多个领域拥有优异的性能,成为目前的研究热点之一。该文结合国内外相关文献,综述了目前石墨烯材料在强化沸腾换热领域的研究进展,重点介绍了石墨烯流体和石墨烯涂层相关的研究。目前的研究主要分为2类:石墨烯作为纳米颗粒强化基液的换热以及石墨烯作为附着层强化基材的换热。关于石墨烯是否有强化的能力及其强化程度的大小,研究结果总体上是正向的。该研究为后续石墨烯强化换热的相关研究提供借鉴。