核电厂凝汽器汽流激振问题研究与预防

针对某类型核电厂凝汽器在单列运行时发生多起因汽流激振导致的钛管开裂事件，采用基于多孔介质模型的计算流体动力学（CFD）方法对该凝汽器的喉部和管束区汽侧流场进行全三维数值仿真，计算得到凝汽器在多个单列运行工况下的汽侧速度场与钛管汽流激振风险系数分布。根据仿真计算结果，该凝汽器单列运行时，在靠近凝汽器垂直中心线的换热模块空冷区上方的指缝区表层钛管发生汽流激振的风险较高，为降低汽流激振风险需要考虑在相关位置安装防振条或实施预防性堵管。根据凝汽器单列运行泄漏工况数值仿真计算结果与核电机组实际运行记录，建议该核电厂凝汽器单列运行时在夏季、冬季工况下机组安全运行电功率限值分别为900 MW和600 MW。该凝汽器钛管跨距偏大，为了避免发生汽流激振现象，应将钛管跨距缩短到610.5 mm以下。     

ACP100反应堆整体水力模拟试验研究

模块式先进小型压水堆（ACP100）是一种新型一体化小型反应堆，直流蒸汽发生器和主泵均直接集成在压力容器上，紧凑的结构导致其内部流场复杂。本研究应用1:3缩比模型模拟ACP100反应堆内部流场，开展反应堆整体水力模拟冷态试验。试验得到反应堆模型的总压降和分段压降，获得了反应堆模型总阻力系数以及主要流道分段阻力系数；并得到堆芯入口各燃料组件的流量分配因子。模型试验结果显示，主流道内的流动已进入第二自模区，流体的流型、流速分布以及阻力系数与原型反应堆相同；流动进入自模区后，反应堆模型的阻力系数为常数，阻力系数值为8.02，可直接用于原型反应堆压降计算；额定运行工况下，堆芯入口的流量分配因子值在0.91～1.08，满足设计需求；流量分配罩具有良好的整流作用，模拟失流事故工况下的流量分配仍较均匀。     

某核电止回阀开启过程中的瞬态流动与结构特征

为研究某核电止回阀在开启过程中的流动特征与部件的力学特征，采用商用计算流体动力学软件ANSYS Fluent和用户自定义函数（UDF），模拟了该阀门在高压工况下开启过程中的内部流动。在不同开度条件下采用流固耦合方法对阀门部件的力学行为进行了模拟，分析了阀体及阀芯的应力分布及变形情况。结果表明，随着阀门开度增大，过流断面的喉部与阀门出口出现高速区域；阀门入口段呈现较高的压力梯度；阀体上的最严重变形出现在喉部，变形量随开度变化呈现波动趋势；最大等效应力出现在阀门入口弯管处且最大等效应力随开度增加而减小；阀芯的最大变形量出现在靠近进口的一侧；最大等效应力出现在阀芯与弹簧接触区域，其随开度的增加呈现波动增长趋势。      

凝汽器单侧停运与对应抽真空隔离阀连锁关闭的必要性研究

在凝汽器单侧隔离工况下,其对应的抽真空隔离阀应连锁关闭,且无论何种情况,均不建议打开此阀,否则会导致凝汽器内不凝结气体增多、抽真空泵性能下降、凝汽器性能恶化等后果。本文对比了单侧隔离工况和正常运行工况的异同,并从凝汽器漏气量、不凝结气体聚积趋势、抽真空泵性能、凝汽器性能等方面进行了分析。     

含缺陷钛管的结构完整性评定

运用确定性ＲＴ６和概率性Ｒ６评定方法对含轴向内、外表面裂纹的钛管进行了结构完整性评定，并对上述两种评定方法的评定结果作了比较。评定结果被评钛管可以在服役工况下安全傅使用。同时为改善钛管的结构完整性提出了相应的技术方案。     

凝汽器喉部流场的三维数值分析

应用k-ε模型并结合壁面函数法,利用SIMPLEC算法,对布置有低压加热器和小汽轮机排汽的某300 MW汽轮机的凝汽器喉部进行了三维数值模拟,对喉部出口流场的不均匀性和能量损失系数的变化进行了分析.结果表明:排汽通过凝汽器喉部后,在出口截面的4个角处形成低速区.喉部布置有低压加热器后,在低压加热器正下方的出口截面形成低速涡流区.小汽轮机排汽的存在则增大了喉部流场的不均匀性,在靠近小轮机排汽侧的出口截面又形成了2个局部低速区,而在远离小汽轮机排汽侧,喉部内部的流场分布几乎不受影响,只是速度值变大.在额定工况下,小汽轮机排汽的存在使凝汽器喉部能量损失系数增大.     

共用凝汽器建模与仿真

热力系统的主汽轮机与辅汽轮机共用一个凝汽器,称其为共用凝汽器,在共用凝汽器工作原理的基础上,依据凝汽器结构特点建立共用凝汽器的动态数学模型。仿真分析共用凝汽器典型工况下的运行特性,得到共用凝汽器各子区间不同的热力特性,对探究共用凝汽器的热力特性具有一定意义。     

近临界压力区垂直内螺纹管临界热流密度实验研究

在近临界压力区,对垂直上升内螺纹管流动沸腾的偏离泡核沸腾(DNB)型临界热流密度(CHF)现象进行了实验研究。试验段采用ф35 mm×5.67 mm六头内螺纹管。实验参数范围为:压力18~21 MPa,质量流速500~1 000kg/(m~2·s),进口过冷度3~5℃,内壁热负荷40~960kW/m~2。实验得到了不同工况下的内壁温度和传热系数分布特性,分析了流动参数对内螺纹管中DNB型CHF的影响,并根据实验数据拟合出两相区的传热关联式与临界热流密度(qCHF)预测关联式。内螺纹管的qCHF实验数据被用于与光管的qCHF预测值进行对比,发现内螺纹管具有一定的CHF强化作用,但当压力越靠近临界压力时这种作用会被抑制甚至消失。实验结果表明:在近临界压力下,内螺纹管会在低干度区甚至过冷区发生DNB现象,压力的增大和质量流速的减小均会使DNB提前发生。qCHF随压力的减小和质量流速的增大而增大。在特定工况下,试验段不同截面会分别发生偏离泡核沸腾与蒸干。     

非均匀加热蒸发管内两相流动不稳定性数值分析

针对蒸发管非均匀加热工况,采用包含水平、倾斜上升、垂直上升和垂直下降流动的优化内螺纹管,建立了基于均相流模型的蒸发管数学模型,采用时域法模拟了蒸发管内两相流动不稳定性。计算了不稳定发生时,进口流量在各时间点的数值,并与Siemens公司的计算结果进行了对比,结果符合良好,表明本文采用的数学模型和数值方法在模拟两相流动不稳定性上具有一定的可靠性。分析了系统参数对两相流动不稳定性的影响,并与均匀加热工况进行了比较。结果表明:非均匀加热工况系统参数影响规律与均匀加热工况具有相似性,增加进口压力或进口流量系统的稳定性提高;减小进口阻力系数或增大出口阻力系数系统的稳定性降低。     

基于有限元分析管壳式换热器拉脱力的研究

采用有限元方法对管壳式多管程固定管板换热器在3种工况下,不同温度分布的换热管和管板的拉脱力进行了分析计算.结果表明,在多管程换热器的管束中,不同位置的换热管拉脱力存在较大的差别.对照ASME规范规定的许用值,工况3中所有换热管与管板接头的拉脱力均能满足要求,而工况1和工况2中分别有56根和22根换热管与管板接头的拉脱力超过了许用值.这些接头在介质的流动中出现振动、腐蚀等情况时,易发生破裂和泄漏.     

Effect of noncondensable gas in a vertical tube condenser

An experimental study is performed to investigate the effects of noncondensable (NC) gas in the steam condensing system. A vertical condenser tube is submerged in a water pool where the heat from the condenser tube is removed by boiling heat transfer. The design of the test section is based on the passive condenser system in an advanced boiling water nuclear power reactor. Data are obtained for various process parameters, such as inlet steam flow rate, noncondensable gas concentration, and system pressure. Degradation of the condensing performance with increasing noncondensable gas is investigated. The condensation heat transfer coefficient and heat transfer rate decrease with noncondensable gas. The condensation heat transfer rate is enhanced by increasing the inlet steam flow rate and the pressure. The condensation heat transfer coefficient increases with the inlet steam flow rate, however, decreases with the system pressure. For the condenser submerged in a water pool with saturated condition, the strong primary pressure dependency is observed.     

钛波槽冷却管的疲劳及静载强度分析

在力学参数测试的基础上,对钛波槽管进行了疲劳强度和静载强度分析;对应力集中部位进行了有限元数值计算.通过分析和计算,得出结论:冷凝器在正常运行条件下,钛波槽管能满足疲劳及静载强度要求;各种载荷引起的应力中,由温度差所产生的热应力比较大.为了使冷凝器更安全,有必要在壳体端部装设膨胀节以减小热应力.在合理设计槽形并具有良好的波槽成型工艺下,用钛波槽管作为冷凝器的冷却管是安全的.     

Experimental and empirical study of steam condensation heat transfer with a noncondensable gas in a small-diameter vertical tube

An experimental study was performed to investigate local condensation heat transfer coefficients in the presence of a noncondensable gas inside a vertical tube. The data obtained from pure steam and steam/nitrogen mixture condensation experiments were compared to study the effects of noncondensable nitrogen gas on the annular film condensation phenomena. The condenser tube had a relatively small inner diameter of 13 mm (about 1/2-in.). The experimental results demonstrated that the local heat transfer coefficients increased as the inlet steam flow rate increased and the inlet nitrogen gas mass fraction decreased. The results obtained using pure steam and a steam/nitrogen mixture with a low inlet nitrogen gas mass fraction were similar. Therefore, the effects of noncondensable gas on steam condensation were weak in small-diameter condenser tubes.A new correlation was developed to evaluate the condensation heat transfer coefficient inside a vertical tube with noncondensable gas, irrespective of the condenser tube diameter. The new correlation proposed herein is capable of predicting heat transfer rates for tube diameters between 1/2- and 2-in. because of the unique approach of accounting for the heat transfer enhancement via an interfacial shear stress factor.     

Scaling of passive condenser system for separate effect testing

The passive containment cooling system (PCCS) of the simplified boiling water reactor (SBWR) is a passive condenser system designed to remove energy from the containment for long term cooling period after a postulated reactor accident. Depending on pressure condition and noncondensable (NC) gas fraction in drywell (DW) and suppression pool (SP), three different modes are possible in the PCCS operation namely the forced flow, cyclic venting and complete condensation modes. The prototype SBWR has total of six condenser units with each unit consisting of hundreds of condenser tubes. Simulation of such prototype system is very expensive and complex. Hence a scaling analysis is used in designing an experimental model for the prototype PCCS condenser system. The motive for scaling is to achieve a homologous relationship between an experiment and the prototype which it represents. A scaling method for separate effect test facility is first presented. The design of the scaled test facility for PCCS condenser is then given. Data from the test facility are presented and scaling approach to relate the scaled test facility data to prototype is discussed.     

冷凝器强化传热特性分析

分析了影响冷凝器总传热系数的主要因素 ,阐述了管壁污垢系数对冷凝器传热性能的影响。提出了冷凝器强化传热的关键问题在于管外 ,增加管外侧传热系数会使冷凝器的效率大幅度提高。对冷凝器中采用螺纹槽管强化传热的方法进行了分析 ,提出了采用低翅片管或在螺纹槽管外侧采用适当的强化传热手段可以使冷凝器的传热效率得到提高。     

冷凝器小型化技术研究

介绍了核动力装置中冷凝器小型化技术。通过冷凝器模拟体的实验研究，给出了螺纹槽管冷凝器的实验研究结果，分析了螺纹槽管冷凝器的工作特性和强化传热效果。所得实验结果对螺纹槽管冷凝器的实际应用有指导性意义。     

摇摆状态下竖直管内弹状流单元物理模型解析

通过建立质量守恒方程和弹状流稳定存在条件等方程,对摇摆状态下竖直管内充分发展的弹状流单元物理模型进行解析.在此基础上,给出摇摆状态下弹状流平均空泡份额计算关系式,并与实验值进行比较,结果符合较好.因此,该弹状流单元物理模型是进一步分析摇摆状态下弹状流流动特性的基础.     

竖直管内蒸汽完全冷凝换热特性的理论研究

Nusselt模型是静止蒸汽在竖直平壁上层流膜状冷凝换热的理论模型。蒸汽在竖直管内冷凝时,受管内蒸汽流速的影响,冷凝界面存在剪切应力,导致直接采用Nusselt模型计算冷凝换热系数会引入较大偏差。以非能动余热排出换热器冷凝换热工况为研究背景,考虑界面剪切力的影响,对Nusselt冷凝换热模型进行修正。分别采用Nusselt模型和修正模型对竖直管内蒸汽完全冷凝时的换热特性进行分析并与实验结果比较。研究表明,蒸汽在竖直管内完全冷凝时界面剪切力会改变蒸汽和冷凝液膜的流动状态,其对冷凝换热的影响不能忽略。修正模型合理地考虑了冷凝界面剪切力的影响,计算结果与实验结果吻合较好。     

有机氚氧化燃烧制样装置的研制及应用

研制了有机氚(OBT)氧化燃烧制样装置,该装置主要由石英管、固定和移动式管式电炉及冷凝收集器3部分组成。1次可处理环境样品40～100 g,对有机氚的氧化燃烧效率高达97.4%,生成水的回收率达94.4%,氧化燃烧过程直观可视。利用该装置对四川某设施外环境采集的动植物样品中的有机氚进行了测定,其活度水平在0.16～2.71 Bq/kg之间,肉类有机氚活度较高,植物类较低。