摇摆运动下单相自然循环核热耦合特性研究

采用考虑6组缓发中子的点堆中子动力学模型,开发了核反馈模拟模块,并将之与摇摆条件下单相自然循环热工水力计算模型进行合并,基于Matlab软件编制了相应的计算程序,实现了摇摆条件下单相自然循环核热耦合的模拟计算。计算结果表明：摇摆条件下,与不考虑核反馈相比,考虑核反馈后核热耦合效应使系统流量降低,系统功率产生波动;系统功率的平均值随摇摆频率及振幅的增大而降低,而系统功率的振幅则随摇摆周期及振幅的增大而增大。核热耦合效应使燃料元件温度的波动振幅减小,起到了抑制燃料温度波动的作用。     

摇摆对自然循环核热耦合平均功率的影响

通过对摇摆条件下单相自然循环核热耦合的模拟计算,分析研究了摇摆条件下自然循环核热耦合系统平均功率的影响因素。分析结果表明：摇摆条件下,考虑核反馈后的系统平均功率与系统的平均质量流量、系统的平均传热系数成正比,与慢化剂与燃料的温度反馈系数比成反比。摇摆参数对系统平均功率的影响和慢化剂与燃料的温度反馈系数比有关。当系统平均传热系数的变化对反应性的影响起主导作用时,摇摆越剧烈,系统平均功率越大;当平均阻力系数的变化对反应性的影响起主导作用时,摇摆越剧烈,系统平均功率越小。     

核反馈对并联双通道自然循环系统流动不稳定性的影响

将热工水力系统分析程序RELAP5与三维物理瞬态输运程序TDOT T采用并行方式耦合,对并联双通道自然循环系统内核热耦合不稳定性进行分析,得到系统的不稳定边界。分别以燃料时间常数差异较大的板型元件及棒型元件为对象,讨论了核反馈对系统稳定性的影响。对于板型元件,核反馈作用对低含汽率区的第1类密度波振荡（DWO）有明显的抑制作用,而对高含汽率区的第2类DWO基本无影响。对于棒型元件,计算分析结果表明核反馈对系统稳定性几乎无影响。     

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.     

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。     

摇摆运动下单相自然循环流动特点

针对摇摆工况下单相自然循环流动的特点进行实验研究。实验结果表明,流体在摇摆作用下产生波动;波动频率与摇摆频率一致。理论分析表明,摇摆对自然循环的影响主要有两个方面,一方面摇摆引起回路空间位置的改变导致自然循环驱动压头发生变化;另一方面,摇摆引起的附加加速度使回路产生附加压降。通过建立简化模型,得出了摇摆周期、摇摆振幅和其他参数对单相自然循环流动影响的规律。     

摇摆运动引起的波动与自然循环密度波型脉动的叠加

针对海洋条件(即摇摆工况)下．核动力装置自然循环流动不稳定的特点进行了实验研究结果表明,摇摆引起的流量波动的附加量与自然循环密度波型脉动的流量脉动相叠加．加剧了系统的不稳定．通过频谱分析,分析了叠加效应的强弱。     

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。     

大角度摇摆条件下对称回路自然循环特性研究

开展摇摆条件下对称回路自然循环特性理论和实验研究。零功率摇摆条件下,角加速度作用力随时间不断变化,引起支路管道内的流量发生周期性变化,但对中间流道内的流动没有影响。在有功率摇摆条件下,支路流量会出现明显的流量振荡,振荡周期与摇摆周期一致;中心流道流量振荡周期为摇摆周期的一半。     

摇摆运动下窄矩形通道单相瞬变流动时均阻力特性研究

对摇摆运动下窄矩形通道低流速单相瞬变流动时均阻力特性进行实验研究。实验工质为去离子水,窄矩形通道当量直径为5.39 mm,雷诺数范围为800～20000,瞬变流动流量相对波动幅度超过30%。通过2种方法计算得到摇摆运动条件下流动时均阻力系数。分析结果表明:使用不同的方法计算得出的时均阻力系数在层流区的变化规律不同,不同的方法表征不同的物理意义。若先根据达西公式求瞬时阻力系数再对其求时均值,该时均值表征时均粘性耗散;而采用先求压差、流速均值后再根据达西公式计算阻力系数时,该阻力系数表征时均摩擦阻力压降。     

摇摆条件下窄矩形通道内流动传热特性数值模拟

建立窄矩形通道在摇摆条件下湍流流动的物理数学模型,应用数值分析方法模拟窄矩形通道的三维非稳态流动的传热过程;考察摇摆条件下通道内流动阻力和换热性能及其随雷诺数Re、摇摆周期T及摇摆幅度max影响的变化规律。结果表明,摇摆状态下窄矩形通道内速度场呈周期性变化;时均摩擦系数favg和时均努塞尔数Nuavg比非摇摆工况下的结果大,Nuavg满足拟合公式0.851 0.4Nu 0.023Re Pr;在相同Re和摇摆周期T下,通道内流体摩擦压降和Nu的变化幅值随max的增大而增大,其变化周期等于T;在相同Re和max下,摩擦压降pf和Nu的变化幅值随T的增大而减小,其变化周期等于T。     

摇摆运动下多环路主冷却剂系统自然循环流量的稳定性分析

海洋核动力平台因其突出的安全性已成为当今核能领域热点研究问题之一,但在海洋等非惯性条件下会使一回路系统的热工特性发生变化。针对此问题,本文对几种典型的一回路系统在摇摆条件下的自然循环流量波动特性进行计算分析。分别建立典型的双环路、三环路、四环路的一回路系统模型布置方案,并同时考虑摇摆中心的位置,根据流体动量守恒方程,得到不同状态下一回路系统内的流量变化规律。对于单堆双环路系统,摇摆中心在船上/中/下部位置时,环路流量波动幅度分别为13.2%/11.2%/9.5%,堆芯流量波动幅度分别为0.9%/0.8%/0.6%;对于单堆三环路系统,摇摆中心在船下部时,环路流量和堆芯流量波动幅度分别为9.2%和0.8%;对于单堆四环路系统,摇摆中心在船下部时,布置方案1和方案2的环路流量波动幅度分别为9.5%和9.2%,堆芯流量波动幅度分别为0.9%和0.7%。计算结果表明：采用单堆双环路的设计布置方案是最有利于系统稳定性的。     

自然循环系统摇摆条件下棒束通道内传热特性研究

棒束燃料元件子通道间流体存在搅混与横向二次流,流动及阻力特性相较矩形通道、圆管等简单通道更为复杂。核动力舰船、船舶、小型浮动核电站等会受到海浪影响,经常处于倾斜、摇摆、垂荡等瞬变运动下。目前的相关研究多集中在低压工况的研究领域,高温高压自然循环运动条件下的研究较少。本文采用实验研究方法,对自然循环系统摇摆条件下棒束通道内流动传热特性进行了研究,获得了过冷沸腾和饱和沸腾两种条件下摇摆角度和摇摆周期对棒束壁面温度变化和传热系数的影响,并获得了摇摆周期内棒束通道内的传热系数计算关系式。结果表明,饱和沸腾传热系数变化比过冷沸腾的剧烈;在本文实验工况范围内,棒表面传热系数波动幅值随着摇摆幅度的增大而增大;摇摆条件下棒束通道过冷沸腾和饱和沸腾工况时均传热系数基本不变。     

矩形回路内超临界水稳态自然循环特性数值分析

采用计算流体力学(CFD)方法对简单矩形回路内的稳态自然循环进行数值模拟研究,并对超临界条件下的重力压降计算方法进行评估分析。结果表明,稳态自然循环流量随加热功率的变化,加热段出口流体温度在拟临界点附近时出现最大值,该最大值随加热段入口流体温度的增加而减小;加热段的温度整体上升并向拟临界区移动时,加热段进出口间的密度差、速度差趋于增加,而压降趋于减小。重力压降计算方法评估表明,Ornatskiy与Razumovskiy所推荐的公式在计算较长管道(2 m)内重力压降时结果偏小,最大偏差接近-30%,辛普森公式可以较好地计算较长管道内的重力压降,可用于处理实验数据。