圆管内氦氙混合气体与超临界二氧化碳换热特性对比分析

小型化、高紧凑反应堆系统是陆上多用途能源供给的研究重点,直接热-动循环下的能量转换对冷却剂工质选型提出极高要求。为了明确氦氙混合气体、超临界二氧化碳的工质适用性,本文采用数值模拟方法,对二者在圆管内的换热特性进行计算,对比了2种冷却剂的物性,分析了不同加热功率、入口速度、入口温度对冷却剂换热系数的影响,拟合提出了2种冷却剂工质圆管内换热的经验模型。研究结果表明:反应堆在加热功率超过100 kW/m~2、入口流速大于10 m/s下,对流换热系数较大;氦氙混合气体入口温度在1 000~1 200 K、超临界二氧化碳在入口温度550~600 K附近时,对流换热系数存在极大值;在高雷诺数区(Re>10~4),2冷却剂的修正关系式与计算值吻合良好。本文计算能够为新型反应堆开发提供数据及模型基础。

超临界二氧化碳破口喷放特性数值分析

超临界二氧化碳布雷顿循环系统在发生小破口事故时破口位置处因系统内外压差出现的复杂喷放现象尚未研究清楚。为探究不同上游滞止参数与管道长径比对喷放特性的影响,本文采用数值模拟方法开展三维压力容器小破口喷放现象研究。研究结果表明:上游滞止压力升高或滞止温度降低引起质量流量增加,长径比增加时质量流量减少。上游滞止参数对流量的影响机理主要是参数变化引起密度发生较大改变从而影响喷放质量流量,管道长径比对流量的影响主要因为直径的变化。滞止压力升高时3组工况流量增加值相差5.3%,滞止温度降低时3组工况流量增加值相差90.7%,相比于压力对喷放流量的影响,温度对流量增加速率影响更为显著。

超临界CO_(2)印刷电路板换热器热工水力特性研究

对于超临界CO_(2)布雷顿循环中的印刷电路板换热器,其复杂结构与工作介质的特殊物理性质将导致集总参数方法出现较大的计算误差。为提升印刷电路板换热器的换热参数的计算精度,本文基于Modelica语言,采取分节点建模方法,开发了印刷电路板换热器的热工水力特性计算程序,对其稳态运行时的换热参数进行了分析。结果表明:印刷电路板换热器的通道内超临界CO_(2)的对流换热系数沿流动方向发生显著变化。与设计值相比,分节点计算程序的最大相对误差小于3%,计算精度相比于集总参数方法显著提升,因此有必要采取分节点计算方法以提高计算精度。研究结果可为超临界CO_(2)布雷顿循环系统中印刷电路板换热器的设计和仿真提供参考。

氦氙气冷小堆燃料棒辐射散热特性分析

反应堆堆芯热工安全特性是反应堆系统安全特性最重要的组成部分。氦氙气冷小堆中燃料棒间温差大,辐射散热不可忽略。因此针对氦氙气冷小堆堆芯,不止需要考虑对流换热和热传导两种换热形式,也需要考虑辐射散热对堆芯换热的影响。本文通过建立氦氙气冷小堆堆芯1∶1精细化模型,开展反应堆堆芯内部三维辐射散热特性分析,同时获得辐射角系数。将本文模型计算结果与蒙特卡罗方法结果进行对比验证,两者相对误差小于1%,证明该辐射角系数计算方法的准确性。开展了燃料棒径距比、燃料棒表面温度、燃料棒长度等几何参数敏感性分析,关注其对燃料棒辐射散热特性的影响,并开发出一套具有普适性的堆芯内燃料棒辐射角系数经验关系式。本文通过研究燃料棒间辐射散热特性了解反应堆内辐射散热规律,为后续反应堆堆芯热工安全特性研究提供了技术支撑。

控制棒对核动力航天器辐射屏蔽特性的影响

针对控制棒及其导向管贯穿阴影式屏蔽体的情况,本文进行了核动力航天器全场辐射屏蔽特性的分析,并提出局部屏蔽的优化方案。利用蒙特卡罗方法在核动力航天器全场范围内对中子与光子进行输运计算,求解得到控制棒吸收体处于不同位置时的中子注量率与光子剂量分布情况,分析了控制棒及其导向管对阴影屏蔽体的屏蔽特性及航天器全场辐射特性的影响,并针对辐射薄弱点提出了局部屏蔽优化方案,对优化后的方案进行了计算验证。结果表明:控制棒导向管垂直贯穿屏蔽体会导致仪器平台辐射剂量超限值,极端工况下光子剂量达到限值的10倍,中子注量达到了限值的1.8倍。利用局部屏蔽体可以有效消除控制棒导向管带来的辐射剂量超限问题,能在控制质量增幅的情况下保证仪器平台所处区域的辐射安全。

堵塞沉积对波形板汽水分离器运行特性的影响规律及机理

在核电厂装置运行的热态工况下,波形板汽水分离器内高温高压且湿度较大,易出现腐蚀现象,产生沉积物并影响汽水分离性能。为研究沉积堵塞现象对波形板汽水分离器运行特性的影响机理,本文运用CFD软件对不同堵塞程度的波形板建立了经过合理简化的二维模型,在不同热态工况下对波形板分离器开展数值计算与分析,得到了堵塞程度对波形板运行特性的影响规律和作用机理。结果表明:堵塞沉积的波形板压降和分离效率随工况的变化趋势均与未堵塞时较为相似;沉积物使实际流通截面变小,从而使波形板的压降增大,且压降增幅随堵塞程度增大而增大;沉积物明显影响了液滴的碰撞分离过程,使分离效率降低;在疏水钩未失效前,波形板分离效率的降幅随堵塞程度增大而增大;在压降、效率增幅方面,沉积物在低流速工况下的影响程度更大。研究结果为波形板的沉积堵塞研究及其运行和设计提供了一定的理论支撑和科学依据。

氦氙气冷反应堆系统无保护控制事故安全分析

小型氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统作为第4代先进反应堆,具有轻质、紧凑、系统简单和启停迅速等优点,十分适合用于偏僻地区和岛屿的能源供应。基于Modelica语言通过对各关键设备进行模块化动态建模,开发了氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统分析程序,并进行程序可靠性验证。模拟了系统稳态工况和事故瞬态变工况,重点分析了反应性引入和容积控制系统错误投入等瞬态工况的动态响应特性。结果表明:系统分析程序仿真结果较为合理,系统具有一定自稳、自调能力,需采取措施控制转子转速下降速率。本文结果可为氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统的安全特性分析提供理论基础。

不同构型3枚螺钉固定稳定型股骨颈骨折的生物力学比较研究

目的对不同构型3枚空心加压螺钉固定稳定型股骨颈骨折进行生物力学及有限元分析比较,为临床治疗稳定性股骨颈骨折提供理论依据。方法用倒、正等腰三角形及反V构型的3枚空心加压螺钉固定稳定型股骨颈骨折的人工股骨标本,并采用生物力学机测试、比较3种空间构型的抗压、抗扭转性能及最大垂直载荷。结果反V构型组和倒等腰三角形构型组的抗压及最大垂直载荷性能明显优于正等腰三角形构型组,差异均有统计学意义(P <0.05),但抗扭转性能差异均无统计学意义(P> 0.05)。反V构型组在抗压、抗扭转性能及最大垂直载荷方面,参数的均值高于倒等腰三角形构型组,但差异无统计学意义(P> 0.05)。结论治疗稳定型股骨颈骨折应优先选用反V构型的3枚空心加压螺钉,其生物力学效果可能更好。

氦氙混合比例对堆内通道流动换热特性影响

为了研究氦氙混合比例对不同堆内通道的流动换热特性影响,本文通过对堆芯冷却剂通道进行几何、物理建模,利用STAR-CCM+对氦氙混合气体作冷却剂时的流动换热过程进行数值模拟,计算不同比例下的氦氙混合气体与燃料棒间流动换热的对流换热系数。结果表明:氦氙混合气体的物性会影响对流换热系数的变化趋势,在氦氙混合气体摩尔质量为15~20 g/mol时换热性能最好;在相同的流通面积下,冷却剂通道当量直径越大,对流换热系数越小。相关研究结果可为空间堆的设计提供有益参考。

基于ANSYS的煤矿立井抢险排水管道安全性评价分析

以810 m煤矿立式抢险排水管道为例,研究排水管路正常运行时所受载荷,利用CAD模型建立了抢险排水管道结构的三维模型,运用ANSYS有限元分析软件对其进行静力学分析,模拟排水管道在给定静载荷作用下在竖直方向上的应力和应变分布状况,并对其安全性进行评价。研究得出排水系统最上端管道的横断面为危险截面,管道结构的最大应力为138.88 MPa,小于其应力极限,验证了管道结构的强度及稳定性,为煤矿立井抢险排水系统的可靠运行提供了依据,并结合安全性和经济性的原则,对下端管道的选材提出建议。

压力容器内超临界二氧化碳喷放特性分析及模型验证

超临界二氧化碳能量转换系统的压力容器出现破口时,将出现较为复杂的喷放现象,其临界流特性亟待研究。基于Modelica语言开发了一套瞬态分析程序(SCRSAP-LOCA),针对超临界二氧化碳喷放过程中不同阶段的流动现象进行了建模与分析,与现有实验数据进行了对比验证,并分析了容器内不同初始条件对喷放过程造成的影响。结果表明,程序计算结果与实验数据吻合较好,流量与压力的计算误差在23%以内。喷放过程可大致分为3个阶段,破口流量与容器压力呈阶梯式下降。在不同的初始温度与压力条件下,容器内超临界二氧化碳的喷放行为具有很大的差别。研究结果可为压力容器内超临界二氧化碳喷放特性分析提供参考,并对超临界二氧化碳能量转换系统的泄漏事故进程研究与安全分析评价提供支撑。

印刷电路板换热器中S-CO_(2)换热特性数值分析

为了探究超临界二氧化碳(S-CO_(2))在直通道印刷电路板换热器(PCHE)中换热特性,本文采用数值模拟方法对此问题进行了研究。计算分析了S-CO_(2)在印刷电路板换热器中的换热特性,并对比了在单独改变一侧通道入口温度、工作压力及工质流量时对流换热系数和壁面努塞尔数的变化趋势。研究结果表明:由于工作压力不同,超临界二氧化碳工质存在从类液区向类气区过渡的情况,导致印刷电路板换热器换热通道入口温度或流量变化相同时对流换热系数和壁面努塞尔数呈现出不同的变化趋势。保持超临界二氧化碳工作压力和流量一定时改变冷侧入口温度比改变热侧入口温度对印刷电路板换热器热功率的影响更大;改变热通道的压力或流量要比改变冷通道的压力或流量对PCHE热功率的影响更大。

空气流动换热数值计算模型适用性分析

为了提高空气流动换热数值计算结果精度,本文针对可压缩空气开展模型、数据处理方法的适用性研究。本文基于开式反应堆内通道,采用计算流体力学方法,在雷诺数1万~40万、温度450~1200 K的范围内,针对可压缩性、定性温度及粘性加热效应等空气流动换热的关键问题,得到不同湍流模型下加热空气管流的平均换热系数;结合经典传热关系式,确定了数据处理方法并讨论了粘性加热效应的影响特点。计算结果表明:Realizable k-ε模型更适宜高温高速可压空气流动;采用进出口平均温度作为定性温度,得到的传热关系式与经典关系式误差在10%以内,满足计算要求;计算中应考虑粘性加热效应,该效应仅会使高雷诺数工况的努塞尔数Nu减小。本文可为精确计算空气流动换热特性提供依据。

直通道PCHE内S-CO_(2)与铅铋合金耦合换热特性数值分析

针对超临界二氧化碳(S-CO_(2))与液态铅铋合金在印刷电路板换热器内耦合换热问题,本文建立了“1对2型”直通道印刷电路板换热器换热单元三维模型。采用数值模拟方法对S-CO_(2)与液态铅铋合金耦合换热特性进行了研究。结果表明:冷侧S-CO_(2)对流换热热阻远大于热侧液态铅铋合金热阻,即印刷电路板换热器整体换热更受制于S-CO_(2)的影响,且S-CO_(2)侧的换热强度决定了整体换热的下限。改变S-CO_(2)侧入口质量流速比改变液态铅铋合金侧入口质量流速对印刷电路板换热器换热器单元功率影响程度更大。S-CO_(2)侧入口质量流速每增加1 kg/s,换热功率增加335.77 kW。本文研究结果可为后续液态铅铋合金与S-CO_(2)耦合换热研究和印刷电路板换热器设计提供参考。

直接布雷顿循环气冷反应堆系统运行特性分析

基于Matlab/simulink程序,针对小型直接布雷顿循环反应堆系统,通过模块化思想建立该系统数学物理模型,开发了系统分析程序。通过改变反应堆、透平、压缩机、换热器等关键设备的运行参数或引入阶跃扰动,模拟了系统稳态工况与瞬态变工况运行,得到了关键设备功率、进出口压力、温度等关键参数的变化曲线。结果表明,系统分析程序对小型直接布雷顿循环反应堆系统稳态与瞬态运行特性的模拟结果较合理,能为小型直接布雷顿循环反应堆系统的设计、优化与安全分析提供依据。

几何结构对S-CO_(2)离心压缩机热力学性能影响分析

离心压缩机是超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环中的核心部件,其内部结构与流动换热机理复杂,为了研究多种结构对S-CO_(2)离心压缩机性能影响,本文针对某兆瓦级S-CO_(2)离心压缩机进行了一维和三维数值方法模拟。基于该模型采取线性加权和法对压缩机5种不同结构参数变化引起的热力学性能进行了量化研究。结果表明:叶片后弯角和无叶扩压器长度对离心压缩机性能的影响最大,其次是叶片数、分流叶片长度和叶顶间隙;增加叶片数可提高叶轮做功能力和压比,但增加过多会降低效率;0.25~0.75 mm内,随着叶顶间隙增加,离心压缩机的压比和效率降低,最佳分流叶片长度系数为0.74。本文研究结果可为后续S-CO_(2)布雷顿循环系统中离心压缩机设计提供参考。

400 kW空间堆布雷顿循环系统运行特性分析

针对百千瓦级大功率航天任务需求,基于Simulink平台开展空间核反应堆直接布雷顿循环系统特性分析研究。根据直接布雷顿循环反应堆系统设计方案,通过对系统中各个关键设备的模块化建模,开发反应堆系统一维系统分析程序,实现了反应堆系统稳态及动态响应特性分析。重点分析了稳态特性、阶跃引入反应性、反应堆升功率和持续步进引入反应性等瞬态工况下的动态特性。相关模拟结果能够为未来大功率空间反应堆运行及安全特性分析提供支撑。

基于子通道模型的超临界二氧化碳燃料组件热工特性分析

为实现偏远地区小型核反应堆的供电,本文开发了超临界二氧化碳燃料组件子通道分析程序BRESA并对结果进行验证,并对程序进行了稳态和瞬态的特性分析。通过开发的二维子通道分析程序,能够得到热工水力参数在轴向和径向上的分布规律,稳态特性分析可以获得燃料组件空间上的热工水力参数,在稳态计算的基础上,分析了流量变化瞬态工况,在流量线性增加、线性减少和流量突变瞬态工况下,燃料组件各参数的响应特性,获得了焓和压力在空间上随时间的变化趋势。结果表明,在流量线性变化的瞬态工况下,焓和压力小幅变化;在流量突变的瞬态工况下,焓和压力发生突变和大幅波动,出口焓的波动最大达到12%,这对反应堆的安全运行造成了挑战。本文的研究结果为超临界二氧化碳反应堆系统的变工况研究提供理论支持和技术指导。

堵流工况下氦氙混合气体流动换热特性

为研究堵流工况下氦氙混合比例对堆内通道流动换热特性的影响,本文对单通道在不同阻塞率、不同氦氙混合比例下进行了数值模拟。本文使用商用数值计算软件,建立不同阻塞模型,计算不同氦氙混合比例下通道流动换热特性。结果表明:换热特性方面,通道堵塞会在堵塞区域形成明显涡结构及边界层分离现象,导致壁面局部高温,而阻塞率对通道对流换热系数几乎没有影响;流动特性方面,随着阻塞率增大,压降及摩擦阻力系数呈增大趋势,而随氦氙混合比的增大呈同样变化趋势;综合性能系数随氦氙混合比例呈下降趋势,而随着阻塞率增大综合性能系数值越小,阻塞率越大对通道流动换热特性影响越明显。

空间气冷反应堆堆芯流动换热数值仿真研究

以美国普罗米修斯计划反应堆为参考,建立了空间气冷反应堆堆芯结构的三维模型,利用蒙特卡罗方法计算得到了堆芯真实功率分布,并使用Star-CCM+软件开展了1/6堆芯的流动换热计算,分析得到了堆芯温度场、速度场和压力场的分布情况,评估了现有设计中仍待优化之处,并提出了相关的优化建议。计算结果表明,该反应堆设计可将冷却剂加热到工作温度,能满足基本的技术指标。但从优化角度考虑,需对堆芯入口段与出口段进行优化设计,通过改变入口管与压力容器间的角度等,可降低不必要的能量损失,提高堆芯出口温度与速度分布均匀性,同时降低冷却剂对诸如气轮机等设备的不利影响。