过冷沸腾自然循环稳定性实验研究

报道了低压压水运行工况下自然循环系统中过冷沸腾引起的两相流流动稳定性研究结果。研究工作是在清华大学核能技术设计研究院的低温堆全尺寸、全参数热工水力学实验系统HRTL-5上进行的,采用了可视化研究与数据记录分析相结合的研究方法,研究了不同系统压力、不同进口过冷度条件下,加热段出口从单相流动、过冷沸腾,到低干度容积沸腾整个范围内自然循环系统的稳定性特征。研究发现了低压过冷沸腾自然循环不稳定现象。在较宽的过冷度范围内存在着多种不同模式的流量振荡,在特定条件下存在着自然循环流量静态漂移。研究结果对低压压水运行的自然循环系统,例如,壳式一体化自然循环供热堆和池式低温供热堆的热工设计和安全分析论证及启动方式研究都具有重要意义。     

自然循环过冷沸腾流动不稳定性实验研究

对自然循环过冷沸腾高频脉动进行了实验研究.实验结果表明,高频脉动为声波型脉动.通过实验分析,确定了声波型脉动发生的3种类型和声波型脉动发生的边界,并分析了影响其产生的因素.进一步分析证实汽泡脱离点与声波型脉动的产生和消失有直接关系,据此得出了声波型脉动发生的经验关系式.     

自然循环过冷沸腾流动不稳定性的实验研究

以氟里昂作工质,对自然循环过冷沸腾流动不稳定性进行了实验研究,重点研究了流动不稳定性的发生机理以及系统操作参数对流动不稳定性的影响规律：实验结果证实,在自然循环系统内,多数运行工况下会同时发生高频脉动和低频脉动两类流动不稳定性：高频脉动属于声波型脉动,低频脉动属于密度波型脉动。通过实验得出了判断系统稳定性的界限,并使用积分方程无因次分析方法得出了预测流动不稳定性的准则关系式,利用准则关系式拟合实验数据,所得的经验公式与实验结果符合良好。     

过冷沸腾对自然循环流动稳定性的影响分析

过冷沸腾的出现标志两相非平衡态开始,并有可能导致流动系统进入到第一类(即低含汽率下)不稳定区。本文着重研究了过冷沸腾对低温核供热堆低压自然循环流动稳定性的影响,考察了汽泡脱离点Zd、分布参数C_0、漂移速度系数C_1及其对空泡分布和系统稳定性的影响。结果表明:(1)在大扰动(如事故工况)下,过冷沸腾引起的空泡反应性反馈对系统稳定性影响显著,不同过冷沸腾模型之间存在较大差别;(2)在小扰动(如参数涨落)下,过冷沸腾作用降低,对系统稳定性影响不大,不同过冷沸腾模型给出的结果接近。     

过冷沸腾对自然循环流动稳定性的影响分析

过冷沸腾的出现标志两相非平衡态开始,并有可能导致流动系统进入到第一类(即低含汽率下)不稳定区。本文着重研究了过冷沸腾对低温核供热堆低压自然循环流动稳定性的影响,考察了汽泡脱离点Zd、分布参数C_0、漂移速度系数C_1及其对空泡分布和系统稳定性的影响。结果表明:(1)在大扰动(如事故工况)下,过冷沸腾引起的空泡反应性反馈对系统稳定性影响显著,不同过冷沸腾模型之间存在较大差别;(2)在小扰动(如参数涨落)下,过冷沸腾作用降低,对系统稳定性影响不大,不同过冷沸腾模型给出的结果接近。     

低流速自然循环过冷沸腾汽泡脱离点实验研究

针对低流速环形通道中自然循环过冷沸腾汽泡脱离点特性进行了实验研究,运用Saha-Zuber模型、Bowring模型、Forster模型和Levy模型测算汽泡脱离点的位置,与实验值进行比较,发现由于流速较低,上述模型不适用于计算本实验条件下的汽泡脱离点。以Levy模型为基础,修正了浮力项的影响系数,修正后的模型与实验结果符合良好。     

自然循环过冷沸腾截面平均空泡份额实验与计算方法研究

采用RBI高温高压光学探针,对自然循环过冷沸腾截面平均空泡份额进行了实验研究通过实验数据与应用较为普遍的Saha模型、Levy模型以及孙奇提出的真实质量含汽率模型计算值的比较发现．基于强迫循环实验数据的截面平均空泡份额计算模型无法适用于自然循环工况,且经过比较初步判定相同系统参数下高过冷沸腾区自然循环较强迫循环空泡份额偏高,另外,根据模型的比较分析结果对真实质量含汽率模型进行了拓展,使其可适用于自然循环过冷沸腾工况。     

低压高过冷度下自然循环流动不稳定性实验研究

对具有长直上升段的自然循环系统,开展了流动不稳定性实验研究。同时,详细分析了低压、高入口过冷度条件下典型的流动不稳定现象。实验表明：自然循环系统的结构、流体的热边界条件会影响自然循环的运行特性及流动不稳定性类型。较高入口过冷度下,高热流密度导致系统脱离稳态后,很难重新回到稳定的两相自然循环流动状态。随着热流密度的提高,系统会经历间歇沸腾、复合动态流动不稳定性等状态。依据实验结果得到了高入口过冷度下的不稳定性边界图。在两相振荡期间,自然循环驱动压头和回路阻力的主要影响因素集中在长直上升段和加热段。加热段出口积聚的大量气泡对上、下游流体的强烈挤压作用是流量大幅振荡及逆流的主要原因。     

低流速过冷沸腾压降实验与计算方法研究

在中压强迫循环工况下开展了低流速过冷沸腾压降实验．实验中同时对过冷沸腾空泡率进行了测量基于得到的实验数据,对低流速过冷沸腾压降计算方法进行了研究．研究表明．过冷沸腾工况下的流动压降与重力压降亦即空泡率密切相关．选用合理的空泡率计算模型对于低流速过冷沸腾压降的准确计算极为重要由于目前普遍采用的Saha模型．Levy模型难以得出准确的低流速过冷沸腾真实含汽率与空泡率预测结果,应用于低流速过冷沸腾压降计算时会产生较大偏差．笔者提出的真实含汽率模型和净蒸汽产生点（NVG）空泡率模型可用于蒸汽-水强迫循环低流速过冷沸腾压降计算通过本文研究、最终得出蒸汽-水强迫循环低流速过冷沸腾压降的推荐计算方法。     

低流速过冷沸腾截面平均空泡率实验研究

以高温高压单探头光学探针为主要测量手段,进行了中压低流速过冷沸腾工况空泡率实验研究,截面平均空泡率根据探针测量得出的局部空泡率在流道截面上积分计算得出。实验数据与实验前提出的空泡率计算模型进行了比较,表明该模型在低流速过冷沸腾工况可获得满意的预测结果。实验结果与Saha模型以及Levy模型的比较表明:对于低流速数据,Saha模型预测结果明显偏高,Levy模型优于Saha模型,但预测结果仍略偏高。     

欠热沸腾诱发自然循环不稳定性的研究

以最佳估算程序RELAP5为基本分析工具,对自然循环系统进行数值分析,得出了不同条件下系统的不稳定性边界。研究发现自然循环对过冷沸腾有一定的承受能力,不稳定性一般发生在低欠热沸腾区,气泡脱离壁面和凝结时的扰动可能是自然循环系统不稳定性的诱因,系统驱动力、阻力和流量之间的相位差使振荡得以维持和发展。     

环形窄通道内过冷沸腾起始点的实验研究

在1.0-4．5MPa的压力范围内研究了1．2mm间隙环形窄缝通道内过冷沸腾起始点．分析了部分热工参量对沸腾起始点的影响。引入双面加热影响因子．对环形窄缝内过冷沸腾起始点的数据进行回归分析,得出了适用于环形窄缝过冷沸腾起始点的实验关系式     

棒束通道内过冷沸腾起始点的实验研究

本文以去离子水为实验介质,在进口温度80～100 ℃、质量流速0～100 kg/(m²•s)、热流密度0～80 kW/m²的条件下对棒束通道内的过冷沸腾起始点（ONB）进行了实验研究。分析了部分热工参数和棒束特殊的几何结构对ONB的影响,通过引入雷诺数,对棒束通道内ONB的数据进行非线性回归分析,得到适用于棒束通道ONB的经验关系式。结果表明：新拟合得到的关系式能较准确地预测棒束通道内ONB的热流密度,其预测值的相对误差为14.75%。     

竖直圆管内低压过冷沸腾相分布特性实验研究

实验采用双探头光学探针对内径24 mm竖直圆管内低压过冷沸腾局部空泡份额、界面面积浓度及汽泡尺寸等局部相界面参数径向分布特性进行了研究。实验结果表明：竖直圆管内过冷沸腾相分布形态呈现轴对称特性,随着热流密度的增大,相分布形态出现近壁峰值并逐渐向中间峰值分布形态的发展,较高热流密度工况下出现轴心峰值分布;随着质量流速的增加,局部空泡份额减小,并出现中间峰值向近壁峰值分布形态的转变;随着压力的增大,局部相界面参数减小。     

过冷沸腾自然对流两相CFD模拟及应用

采用计算流体力学(CFD)方法,开展过冷沸腾自然对流两相模拟与应用研究。对侧壁加热圆柱水箱过冷沸腾自然对流实验采用两相CFD瞬态模拟,模拟时间为1 500 s,通过模型设置与模拟方法研究,再现了过冷沸腾发生后实验的温度阶跃,得到与实验较一致的温度分布、气泡产生时间与产生位置,确保了数值计算的合理性与准确性。在此基础上,对以欧洲ESBWR(经济简化沸水堆)非能动安全壳冷却系统(PCCS)为原型的ISP-42实验进行了两相CFD模拟,获得与实验一致的温度分布,确定采用两相CFD数值模拟对非能动安全壳冷却系统及非能动余热排出系统进行应用研究可行,为下一步计算传热系数、构建自然对流传热模型建立了良好基础。该项研究对工程应用中探寻非能动安全壳冷却系统及非能动余热排出系统的两相自然循环传热特性具有较大价值。     

过冷沸腾自然对流两相CFD模拟及应用

采用计算流体力学（CFD）方法,开展过冷沸腾自然对流两相模拟与应用研究。对侧壁加热圆柱水箱过冷沸腾自然对流实验采用两相CFD瞬态模拟,模拟时间为1 500 s,通过模型设置与模拟方法研究,再现了过冷沸腾发生后实验的温度阶跃,得到与实验较一致的温度分布、气泡产生时间与产生位置,确保了数值计算的合理性与准确性。在此基础上,对以欧洲ESBWR（经济简化沸水堆）非能动安全壳冷却系统（PCCS）为原型的ISP-42实验进行了两相CFD模拟,获得与实验一致的温度分布,确定采用两相CFD数值模拟对非能动安全壳冷却系统及非能动余热排出系统进行应用研究可行,为下一步计算传热系数、构建自然对流传热模型建立了良好基础。该项研究对工程应用中探寻非能动安全壳冷却系统及非能动余热排出系统的两相自然循环传热特性具有较大价值。     

矩形通道堵流过冷沸腾特性研究

由于矩形冷却通道具有很大的长宽比,冷却剂中异物在长期运行过程中在矩形冷却通道内逐渐累积,会使流通面积减小导致局部冷却剂的堵流事故,从而威胁燃料元件完整性。本文在充分考虑燃料组件矩形窄通道流动与换热特性基础上,选取合适的过冷沸腾特性数学物理模型,并采用RELAP5程序计算结果对比验证了数学物理模型的适用性。对堵流工况下运行压力、入口过冷度、功率密度、功率分布、入口不加热段长度等重要运行参数进行敏感性分析,研究其对温度分布以及空泡份额的影响。结果发现改变功率分布对于堵流后果的影响最显著,对称的功率分布输入下燃料元件的释热效果明显好于其他两种非对称功率分布,而且在对称功率分布下堵塞流道冷却剂的局部温度峰值也有所提高,余弦分布形式下堵塞通道内冷却剂峰值温度相对非对称分布高10K左右。余弦分布和功率峰偏上分布形式下,堵塞通道内冷却剂发生局部沸腾,空泡份额分别为0.12和0.009。     

过冷沸腾起始点预测关系式研究

本文认为过冷沸腾起始点为一个流程段,起于气泡开始汽化点,终于气泡脱离气穴点。基于这一假设建立了更为符合实际的过冷沸腾起始点气泡模型,在此基础上,用唯象方法获得了气泡半径公式及壁面过热度与热流密度关系式,并与实验数据进行了比对,其误差分布更加合理。     

自然循环静态特性实验研究

介绍了在自然循环整体实验装置(NCIF)上完成的自然循环静态特性实验结果。通过对3种泵路(泵及其出口节流件)阻力系数条件下的自然循环静态特性实验,获得了一回路平均温度维持不变的自然循环工况下,系统各热工水力参数随加热功率的变化规律;并对影响稳态自然循环流动的主要因素进行了分析。     

竖直窄缝过冷沸腾实验模型及数值模拟

基于常压下竖直窄缝通道的过冷沸腾实验结果,提出了2 mm窄缝通道的壁面核化数值新模型,模型包括:汽化核心密度、气泡脱离直径、气泡脱离频率和核化起始点(ONB)关联式。分别采用新模型和CFX模型对典型实验工况进行数值模拟分析,模拟结果与实验的壁面温度和平均壁面温度结果吻合较好。详细讨论了2个模型中的3个主要关联式的差异,最后讨论了ONB模型对过冷沸腾数值模拟结果的影响。结果表明,考虑ONB模型的新核化模型能更准确地预测窄缝通道过冷流动沸腾传热特性。