非对称加热下摇摆对并联双通道管间脉动特性的影响

采用理论分析与RELAP5/MC程序计算相结合的方法,研究了非对称加热条件下摇摆运动对并联双通道管间脉动特性的影响。结果表明,摇摆运动会引起周期等于摇摆周期以及1/2摇摆周期的流量波动,当摇摆引起的流量波动周期与系统固有热工水力振荡周期接近时,会发生共振效应,从而使密度波振荡提前发生。增大摇摆幅度及通道到摇摆中心的距离可增强流量波动幅度,降低系统稳定性。     

潜艇反应堆在摇摆运动中的自然循环和堆芯传热特性

在一个有摇摆运动的模型反应堆中进行了一系列的单相自然循环试验，以研究摇摆运动对其热工水力特性的影响。在每段管道中，流体由于摇摆运动的惯性力，流动速度随着摆动角度周期性地变化。当摇摆周期变短时环路流速振荡的幅度变大，摆动角度和环路流动速度振荡之间的相位差变大。另一方面，尽管堆芯的流速值随着摇摆周期变化，但是流速并不振荡。堆芯流速变化与摇摆运动的雷诺数和瑞利数密切相关，它是由热驱动头的变化和整个环路的压力损失的变化引起的。为了模拟堆芯流速随着摇摆速度的变化，建立了一个简单的一维分析模型，其正确性已被验证。由于摇摆运动产生局部流动，因此增强了堆芯中的传热。堆芯中的传热系数按摇摆运动的Richardson数的大小被分为三个区间。     

摇摆下自然循环矩形双通道系统核热耦合不稳定性研究

将海洋条件热工水力分析程序RELAP5/MC与三维物理瞬态输运程序TDOT-T采用并行方式耦合,对摇摆条件下自然循环矩形双通道系统核热耦合不稳定性进行计算分析。结果表明,系统存在同相和异相2种振荡模式,分别由摇摆运动和密度波振荡(DWO)引起。核反馈对第1类DWO和两相区的同相振荡有抑制作用,但对第2类DWO和单相区的同相振荡几乎没有影响。基于非线性理论对计算结果进行分析,发现耦合核反馈后系统非线性增强,由于摇摆导致系统流量波动与DWO叠加,其现象非常复杂,摇摆条件下的核热耦合不稳定性会出现非线性振子耦合中的同步化与混沌现象。     

摇摆条件下自然循环流动不稳定性非线性演化特性研究

针对摇摆运动下自然循环流动不稳定性的非线性演化特性进行了分析。应用非线性时间序列分析方法对不同流动状态的时间序列进行幅度谱分析、吸引子重构,并基于相空间重构理论,计算包括关联维数（CD）、Kolmogorov熵（K熵）和最大李雅普诺夫指数（MLE）在内的几何不变量的值,根据计算结果分析了摇摆运动下两相自然循环系统流动不稳定性的非线性演化特性。分析结果表明：随着无量纲功率的增大,系统几何不变量的值先增加后减小,系统由极限环运动经倍周期分岔发展成混沌振荡,最终回到稳定流动;系统非线性特征先增强后减弱,是由于热驱动力、流动阻力和摇摆引起的驱迫外力之间的相互反馈及耦合程度不同所致。     

运动条件下铅铋反应堆热工水力特性研究

为研究运动条件下铅铋反应堆热工水力特性,开发了运动条件铅铋反应堆瞬态分析系统程序,并完成了对设计的5 MW自然循环小型模块化铅铋反应堆的建模,分析了运动条件对反应堆自然循环热工水力特性的影响。计算结果表明,倾斜条件下,堆芯流量减小,堆芯出口温度升高,在计算最大倾斜角度下,流量减小20%,冷却剂堆芯出口温度升高20 ℃。起伏条件下,起伏幅度和起伏周期越大,对反应堆影响越大,由于系统阻力影响,流量变化较起伏加速度有小于1 s的延时。摇摆条件下,摇摆角度越大和摇摆周期越小,对反应堆影响越大,燃料包壳峰值温度较稳态值高20 ℃以内,对反应堆正常运行时安全性影响较小。     

摇摆条件对核动力装置凝汽器热阱瞬态流场特性影响研究

大幅摇摆运动引起核动力装置二回路系统凝汽器热阱内凝水流场与压力波动,严重时会引发凝水系统汽蚀并影响蒸汽发生器供水安全。采用计算流体力学(CFD)方法分析某海上浮动核电平台凝汽器热阱在3种横摇及纵摇工况下的瞬态流场与压力波动特性。研究结果表明:摇摆运动均导致凝汽器热阱内凝水压力呈周期性波动;波动周期与摇摆周期一致,波动幅值随摇摆周期的减小而迅速增加;小摇摆周期下,热阱底部凝水压力下降至凝水系统最低抗汽蚀设计压力之下,使凝水系统出现潜在汽蚀风险;摇摆运动引起热阱内凝水液位剧烈晃荡与凝水质点受力瞬态变化,是影响凝汽器热阱内瞬态热工水力特性的2个重要因素。     

摇摆条件下两环路自然循环回路特性分析

在海上小型堆设计中,需要考虑海洋运动条件对热工水力特性的影响。本文建立了海洋运动条件下的附加惯性力模型,并将该模型应用于RELAP/SCDAP程序中,得到了适用于海洋运动条件下的系统分析程序,利用修改后的RELAP5程序,分析了在摇摆条件下自然循环回路的热工水力特性。分析结果表明,摇摆条件下,自然循环回路的平均流量小于静止条件下的自然循环流量,环路流量波动滞后于横摇运动,冷却水温波动滞后于环路流量波动,摇摆幅值越大,频率越高,流量波动幅值越大。当摇摆较剧烈时,环路上出现倒流现象。增加加热功率或提高冷热源之间高度差可增加系统的自然循环驱动力,减小横摇运动对自然循环的影响。     

倾斜与摇摆条件下一体化反应堆自然循环特性研究

通过建立海洋条件下的附加力模型与控制体空间坐标求解模型,开发了基于RELAP5/MOD3.1程序的海洋条件热工水力分析程序。研究了海洋条件下一体化反应堆IP200的自然循环特性,分析倾斜与摇摆条件对自然循环的影响。计算结果表明:倾斜会降低堆芯流量,导致左右侧环路冷却剂流量不一致,影响直流蒸汽发生器的换热特性;摇摆情形下,环路的附加压降主要由切向力贡献;摇摆轴偏离中心位置以及倾斜和摇摆的叠加运动均会打破环路间的热工水力对称性,增大堆芯流量的波动幅度。     

海洋条件下反应堆热工水力参数的子通道计算

针对海洋条件下反应堆的子通道热工水力分析,建立了海洋运动附加力模型和瞬态入口边界,将起伏、摇摆及复合运动的附加力关系式用于子通道模型的轴向和横向动量方程,并应用到COBRAⅢC程序将其改造为适应海洋条件的反应堆子通道分析程序。作为验证,计算了加热实验通道和"奥陆"堆在起伏运动情况下热通道的临界热流密度比(CHFR)、出口空泡份额和冷却剂流量,并与文献结果对比。还详细计算了"奥陆"堆在起伏、不同摇摆中心和复合运动情况下,热通道的CHFR和不同位置子通道出口的热工水力参数。研究表明:海洋条件下反应堆的子通道热工水力参数随运动呈周期性变化;起伏运动对子通道的压降影响较大,摇摆运动对子通道冷却剂的流量和温度影响较大。     

摇摆运动条件下自然循环复合型脉动的实验研究

对摇摆运动条件下的自然循环两相流动不稳定性进行实验研究。实验结果表明：摇摆运动造成的两相流动不稳定性（波谷型两相流动不稳定性）和密度波型脉动相互叠加形成复合型脉动,加剧了系统的两相流动不稳定性。复合型脉动分为不规则的复合型脉动和规则的复合型脉动两部分,复合型脉动仅发生在高欠热度区域。规则的复合型脉动发生边界与相同热工水力参数下的密度波型脉动边界接近且受摇摆参数影响较小。     

Experimental study on two-phase flow instability of natural circulation under rolling motion condition

Two-phase flow instability of natural circulation under a rolling motion condition is experimentally studied. The experimental results show the rolling motion induces a fluid flow fluctuation. At the trough point of the flow fluctuation, rolling motion can cause the early occurrence of natural circulation two-phase flow instability, and this case is defined as trough-type flow oscillation. The system stability decreases with increasing rolling amplitude and effect of rolling frequency is nonlinear. The complex overlap effect of trough-type flow oscillation and density wave oscillation can enhance the system coolant fluctuation; this case is defined as complex flow oscillation. Complex flow oscillation may be divided into two types: regular and irregular complex flow oscillations. Irregular complex flow oscillation is a transition type from trough-type flow oscillation to regular complex flow oscillation. Under the same thermal hydraulic conditions, the marginal stability boundary (MSB) of regular complex flow oscillation is similar to that of density wave oscillation without rolling motion, and the influences of rolling parameters on the MSB are slight.     

摇摆条件下自然循环流动不稳定性的混沌特性研究

对摇摆条件下两相自然循环系统不规则复合型脉动进行了非线性时序分析。通过相空间重构计算了不规则复合型脉动时间序列的关联维、K₂熵和最大Lyapunov指数值,在几何不变量的计算结果基础上,结合密度波型脉动和波谷型脉动的对比,分析了不规则复合型脉动的混沌特征和产生机理。分析结果表明：不规则复合型脉动为典型的混沌运动,热驱动力、流动阻力和摇摆引起的附加外力的相互作用和耦合导致了混沌的出现。     

摇摆运动对自然循环流动不稳定性的影响

分析研究了摇摆运动下的自然循环流动不稳定性和摇摆对不稳定性的类型以及不稳定性起始点的影响.结果表明,摇摆使流动不稳定性提前发生,改变了不稳定性的类型,摇摆引起的波动和密度波型脉动发生叠加.摇摆运动下自然循环存在两个稳定区域,在这两个区域中间包含着不稳定区域.     

The influence of ocean conditions on two-phase flow instability in a parallel multi-channel system

In this paper, the two-phase flow instability between multi-channels (FIBM) operating under ocean conditions is studied theoretically. The physical and mathematical model of the multi-channel system which is based on Lee and Pan [Lee, J.D., Pan, C., 1999. Dynamics of multiple parallel boiling channel systems with forced flows. Nuclear Engineering and Design 192, 31–44], is extended to analyze the influence of ocean conditions. The influence of ocean conditions on the FIBM is analyzed, particularly with respect to the periodic total mass flow rate and rolling motion. Furthermore, the instability oscillation trajectories of the multi-channel system are obtained on the phase plane of the inlet velocity and boiling boundary. Some of the trajectories show chaotic characteristic. The instability zone of a nine-channel system under rolling motion is then obtained.     

含不凝性气体蒸汽浸没射流冷凝压力振荡实验研究

实验研究了不凝性气体（空气）含量、水温和蒸汽质量流速对蒸汽浸没射流冷凝压力振荡特性的影响，实验工况横跨冷凝振荡（CO）区和稳定冷凝（SC）区。结果表明：对于纯蒸汽射流，压力振荡主频随水温的升高而降低，振荡强度随水温的升高而升高；在CO区，振荡主频和振荡强度均随蒸汽质量流速的升高而升高；在SC区，振荡主频随蒸汽质量流速的升高而降低，振荡强度基本上不随蒸汽质量流速的变化而发生改变；对于含空气射流，随空气质量分数的增加，振荡主频总体呈下降趋势，振荡强度先迅速下降后小幅上升，在空气质量分数为0.05～0.1区域内振荡主频和振荡强度均存在极小值。     

Flow characteristic of single-phase natural circulation under ocean motions

Natural circulation is widely used in nuclear reactor systems as the passive safety system. With the development of the floating nuclear power plant (FNPP), researchers should pay more attention to flow and heat transfer characteristics for the natural circulation under ocean conditions for the safety of FNPP. In this paper, the flow characteristics in a single-phase natural circulation system were investigated and the effects of heaving, rolling and coupled motions were analyzed. The oscillation amplitude of flow rate increases with the increase of period in a certain range and maximum acceleration under heaving motions. With the increase of oscillation intensity (higher frequency and larger maximum rolling angle), the oscillation amplitude increases and the average flow rate decreases under rolling motions. Moreover, the lateral displacement of rolling center changes the oscillation period and induces larger amplitude oscillations. The flow characteristic becomes more complex when the system is subjected to coupled motions. The oscillation period is the least common multiple of two motions’ periods. The oscillation induced by coupled motions makes the system more unstable than that induced by an individual motion. The potential superposition effect exists under coupled motions and needs to be addressed for the operation safety.     

横摇条件下九通道系统两相流动不稳定性研究

对横摇条件下并联多通道系统的两相流动不稳定性进行了理论研究。基于横摇条件的均匀流模型，通过控制容积积分法建立了并联九通道系统的分析模型。用吉尔方法对系统控制方程组进行了求解。分析了在横摇条件下并联九通道系统入口段和上升段及加热功率对管间脉动不稳定性的影响，得到了相应的不稳定性边界。在低含汽率、高含汽率及低过冷度数区域，系统均不稳定。同时，在高含汽率区域会出现倍增周期现象及混沌现象。     

Parametric effects on reactivity instabilities and nonlinear oscillations in a nuclear-coupled double channel natural circulation boiling system

Natural circulation boiling systems consisting of parallel channels can undergo different types of oscillations (in-phase or out-of-phase) depending on the geometric parameters and operating conditions. The coupling between the neutronics and thermal-hydraulics has a strong influence on the modes of oscillations in a multi-channel system. In the present study a natural circulation double channel system is modeled. The reactor kinetics is represented by multi-point neutron kinetics model which includes the spatial variation of neutrons. Parametric effects on stability of the system, frequency, and the oscillation modes (reactivity instabilities) are investigated. It is found that at high powers compact cores will be more stable compared to larger cores, while the opposite will be the case at low powers. Further, nonlinear analysis is carried out to investigate the parametric effects on the bifurcation characteristics, transition from one mode to the other mode and chaotic oscillations. The delay in heat transfer and strong neutron interactions between the subcores delays the occurrence of chaotic oscillations.