高压条件下含有非凝结性气体的水蒸气凝结传热模型研究

研究高压条件下含有非凝结性气体的水蒸气凝结传热过程对于小型堆的安全非常重要。当前对这一物理过程的研究集中于压力较低的工况,高压条件下的研究尚不成熟。本文建立了一种适用于高压条件下含有非凝结性气体的水蒸气自然对流凝结传热理论模型,使用真实气体状态方程求解扩散方程中摩尔浓度梯度和分压梯度之间的关系,取代了前人方法中的理想气体假设。计算结果与已有的实验数据吻合较好,证明本方法可用于小型堆紧凑型安全壳和汽 气稳压器等安全级设备的热工分析。     

含不凝性气体的蒸汽气泡凝结过程研究

利用高速摄像仪对高过冷度下含不凝性气体的蒸汽气泡冷凝及破裂过程进行可视化研究,以分析不凝性气体对气泡微细化沸腾(MEB)过程的影响。实验结果表明:初始不凝性气体体积份额x0小于2.5%时,气泡突然破碎成大量微小气泡;x0在2.5%~7.5%之间时,较大气泡只会分裂成数个小气泡;x0大于7.5%时,气泡界面非常稳定,不会发生破碎和分裂现象。此外,当蒸汽气泡中含有较多不凝性气体时,气泡凝结过程减弱,液体对气泡的惯性冲击减小,气泡不易破裂。由此可表明,在气泡微细化沸腾发生时,不凝性气体的存在会阻碍加热面上气泡的破碎,从而降低传热能力。     

非凝性气体对汽-气稳压器稳压的影响研究

通过分析相间的传热传质过程以及非凝性气体存在时壁面蒸汽冷凝过程,建立了汽 气稳压器模型,研究了非凝性气体对稳压过程的影响,描述了稳压器的稳压特性,并将模型计算结果与MIT稳压器实验数据进行了对比。结果表明：当不含非凝性气体时,计算精度高,相对偏差在0.8%内,压力峰值为0.647 MPa;当非凝性气体含量从0增至20%时,计算精度相对减小,最高相对偏差为15.4%;压力峰值从0.647 MPa增至1.02 MPa。研究表明非凝性气体对稳压器稳压过程具有重要影响作用,随着非凝性气体的种类和含量的变化,稳压器内稳压过程发生显著变化。     

非凝性气体于竖直壁面处冷凝传热压力特性影响机理研究

非凝性气体于竖直壁面处冷凝传热的研究对一体化压水堆汽-气稳压器的瞬态调节以及紧凑型安全壳余热排出进程具有重要影响,当前对含有非凝性气体的蒸汽竖直壁面冷凝传热中压力的影响特性研究较少。基于传热传质比拟方法,采用适用于高压的改进扩散层模型对汽-气竖直壁面冷凝传热的压力影响进行研究。研究发现,基于传热传质比拟方法改进的扩散层模型与已有的实验结果基本一致,适用于较高压力汽-气竖直壁面冷凝传热系数的预测;总压的增加对存在非凝性气体的冷凝传热具有促进作用,这种促进作用随总压的增加逐渐减弱;在一定压力范围内(0.1~7.0 MPa),存在压力分界点pc,在压力影响分界点以下的低压力区域(0.1 MPa~pc)为压力影响敏感区,在压力影响分界点以上的高压力区(pc~7.0 MPa)为非敏感区。同时,本文还对非凝性气体的种类和含量对蒸汽在竖直壁面处冷凝传热过程的影响进行了分析,从气体扩散系数方面进一步分析了造成影响差异的原因。     

全压堆芯补水箱内饱和蒸汽凝结特性分析及数值模拟

基于对全压堆芯非能动注水系统中饱和闪蒸蒸汽在补水箱（CMT）深度过冷厚筒壁和液面层凝结特性分析,引入液相导热系数倍增因子和均温混合液层来反映汽流冲入CMT上部液层对蒸汽直接接触凝结过程的强化作用,进而提出了相应的传热简化模型。借助数值模拟方法,初步预测了不同工况下CMT中各时刻闪蒸蒸汽的凝结率,并与试验结果进行了比较。     

含不凝性气体的蒸汽冷凝传热实验研究

对含不凝性气体的蒸汽在竖直圆管外表面冷凝传热进行实验研究,分析过冷度、压力、不凝性气体质量分数以及氦气占比对蒸汽冷凝换热的影响,给出冷凝传热过程中的经验关联式并同经典公式进行对比。结果表明:在压力不变的条件下,壁面过冷度同冷凝传热系数的变化趋势相反;实验范围内,未发生氦气分层现象;所得到的经验关联式具有更广的适用范围,且其与实验值的误差在±20%以内。     

含不凝性气体的蒸汽冷凝传热实验研究

对含不凝性气体的蒸汽在竖直圆管外表面冷凝传热进行实验研究,分析过冷度、压力、不凝性气体质量分数以及氦气占比对蒸汽冷凝换热的影响,给出冷凝传热过程中的经验关联式并同经典公式进行对比。结果表明:在压力不变的条件下,壁面过冷度同冷凝传热系数的变化趋势相反;实验范围内,未发生氦气分层现象;所得到的经验关联式具有更广的适用范围,且其与实验值的误差在±20%以内。     

PRS换热器蒸汽凝结换热模型研究

使用RELAP5/MOD3.2程序对某型核动力装置二次侧非能动余热排出系统(PRS)1:1实验装置进行稳态计算,一些工况下计算结果同实验结果偏差较大。研究了汽-液界面剪切应力及系统高压等条件对层流和湍流状态下竖直管内蒸汽凝结模型的影响,并对模型进行了改进。改进后的RELAP5程序对该系统1:1实验装置进行稳态和瞬态计算,计算结果同实验结果符合良好。     

蒸汽射流凝结压力振荡幅值研究

为了得到蒸汽在过冷水中浸没射流凝结引起的压力振荡特性,针对不同的蒸汽质量流率和过冷水温度对压力振荡的影响进行实验研究。通过高频压力传感器测量得到了不同测点位置的压力振荡幅值,并结合蒸汽射流凝结形态分析蒸汽质量流率和过冷水温度对压力振荡幅值的影响规律。结果表明,蒸汽射流凝结在凝结振荡区比较剧烈,在稳定射流区相对缓和,从凝结振荡向稳定射流的形态转变导致了压力振荡幅值随蒸汽质量流率出现先减小后增大的趋势;振荡幅值随水温的升高不断增大,特别是当水温大于40℃时,由于过冷度减小,射流凝结形态变得发散,导致凝结振荡幅值大幅增加。     

蒸汽发生器管板液压胀管数值模拟研究

针对蒸汽发生器管板材料和传热管材料进行常温力学性能测试,获得材料的真应力-真应变曲线。在此基础上,对蒸汽发生器管板开展液压胀管的数值模拟研究,研究胀接压力和胀接长度对残余接触压力和过渡区残余应力的影响,得出以下结论:残余接触压力随胀接压力的增大而增大,与胀接长度基本无关,过渡区段传热管内壁最可能发生应力腐蚀。     

液态金属螺旋管式直流蒸汽发生器数值模拟研究

螺旋管式直流蒸汽发生器(HCOTSG)是一种蒸汽发生器常用形式。得益于其特殊的优势,HCOTSG被广泛用于各类反应堆动力系统中。本文提出了利用计算流体力学软件（FLUENT）对液态金属HCOTSG的壳侧液态铅铋、管侧两相流体进行耦合流动传热计算的CFD方法,并通过与相关实验研究结果的对比验证了数值模拟方法的正确性。在此基础上,本文对HCOTSG在典型工况下开展了数值模拟计算,得到蒸汽发生器内部的热工水力参数分布情况,并对其内部的流动换热特性进行分析。本研究为液态金属HCOTSG流动换热特性研究及结构设计优化提供新的思路方法。     

窄流道内过冷流动沸腾汽泡凝结过程的数值模拟研究

建立过冷流动沸腾汽泡凝结质量及能量传递模型,采用流体体积法(VOF)多相流模型,对汽泡凝结过程进行数值模拟.模拟结果与相应条件下的实验结果吻合较好,误差在士20％之内,能够反映真实参数变化过程.根据模拟结果分析汽泡初始尺寸、过冷度和系统压力等因素对汽泡凝结行为的影响.结果表明:汽泡凝结时间与汽泡初始尺寸成正比;随着过冷...     

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。     

蒸汽发生器支承板杂质沉积及堵塞数值模拟研究

在蒸汽发生器长期运行的过程中,二次侧流体中的杂质会在蒸汽发生器内部发生沉积。其中,杂质在支承板上的沉积会造成支承板的堵塞。支承板堵塞会使蒸汽发生器内出现局部高速流动和横流,极易造成流致振动和传热管裂纹。为预测蒸汽发生器支承板局部沉积物分布,本研究建立了蒸汽发生器杂质迁移模型和支承板堵塞模型,并植入到西安交通大学核反应堆热工水力团队(NuTHeL)自主开发的蒸汽发生器三维热工水力程序STAF中,对含有固化和不含固化条件下支承板150 d沉积行为进行了预测,分析了固化效应对沉积物分布的影响规律。结果表明,支承板热侧上部沉积物较多,沸腾是导致局部沉积主要因素。与不考虑固化情况相比,考虑固化后沉积质量减少,且冷热两侧沉积质量差异明显减小。考虑固化后沉积物分布更靠近支承板两侧,与流速分布较为相似。本文研究成果可为核动力系统蒸汽发生器设计和运维提供参考,从而尽可能减小支承板堵塞所导致的有害后果。     

饱和蒸汽在过冷液面凝结特性的实验研究

实验研究了堆芯补水箱上部加装遮流板时，饱和蒸汽在过冷液面上直接接触冷凝的瞬态特性。研究表明，遮流板改变了蒸汽射流的方向，减弱了近液面层的波动，降低了蒸汽的凝结速率，使堆芯补水箱中热水层的厚度减小，系统压力响应时间缩短：与无遮流板相比，实验初期水表面凝结换热系数降低76％～92％，总凝结量减少67％以上。     

蒸汽发生器U型管倒流现象的数值模拟和实验研究

针对蒸汽发生器U型管倒流现象展开实验研究。基于实验数据,采用CFD方法对倒流进行模拟。结果表明:蒸汽发生器发生倒流后,进口腔室出现显著的温度分层,倒流现象降低了蒸汽发生器U型管的换热能力;发生倒流后,进出口腔室压降绝对值减小,正流管流速增大,流动阻力增大,倒流降低了系统的自然循环能力。     

直流蒸汽发生器稳态与瞬态特性数值模拟

直流蒸汽发生器内二次侧流体被一次侧流体加热,其轴向热流密度分布与两侧流体运行参数密切相关。采用RELAP5/MOD4.0程序对直流蒸汽发生器的稳态与瞬态运行特性进行数值模拟研究,获取了直流蒸汽发生器热工参数的振荡特征,并进一步探究了一个周期内不同时刻的二次侧流体的质量流量、热流密度及管壁温度的瞬时轴向分布以及二次侧入口节流对流动振荡的影响。结果表明:对流加热工况下轴向热流分布主要取决于一次侧流体和二次侧流体之间的温差。当直流蒸汽发生器内发生密度波振荡时,一次侧出口温度及总加热功率均剧烈振荡。干涸点的位置大幅移动,且其附近的壁温强烈波动,可通过增大二次侧入口节流抑制流动振荡。     

蒸汽发生器一级汽水分离器内流场数值模拟

以压水堆核电厂蒸汽发生器一级汽水分离器为研究对象,采用基于计算流体动力学（CFD）的计算软件ANSYS Fluent对湿蒸汽进入汽水分离器后的流场特性和汽水分离性能进行模拟,在模拟过程中采用了欧拉多相流模型和k-ε Realizable湍流模型相结合的计算模型。对工质流经汽水分离器的模拟结果表明,在汽相与液相经由汽水分离器流至各自出口时,出现明显的分层现象。对比不同切向出口和不同液滴粒径下的模拟结果表明,出口面积越大,汽水分离器对液滴的分离效果越好;在0.01~0.10 mm的粒径范围内,液滴粒径越大,分离效果越好。对不同负荷条件下汽水分离器分离效率的模拟结果表明,分离效率随机组负荷升高略有降低。      

ACME台架蒸汽发生器传热特性数值模拟

以ACME台架的蒸汽发生器（SG）为研究对象,SG二次侧选用两流体模型,采用计算流体力学软件CFX对ACME台架的SG进行了整体直接模拟。针对稳定试验工况进行了计算,得到了SG一、二次侧的温度分布,二次侧空泡份额分布及传热管的壁温等参数沿U型管高度方向的变化,获得了二次侧较详细的流动和传热特性。计算结果表明,从第2道折流板开始,折流板底部已积聚了部分气泡,随高度的增加,折流板底部积聚的气泡越多,在弯管区附近及以上区域,已全部变为蒸汽。本文计算结果与试验结果符合较好。     

直流蒸汽发生器稳态与瞬态特性数值模拟

In once through steam generators, the secondary fluid is heated by the primary fluid. Therefore, the axial heat flux distribution is related to the operational parameters of the fluids in both sides. The RELAP5/MOD4.0 code is adopted to perform the static and transient simulations of a once through steam generator. The temperature, thermal equilibrium quality and heat flux distributions under both heating modes are analyzed and compared. The oscillation behavior of the once through steam generator is discussed and the instantaneous axial profiles of secondary mass flow rate, heat flux as well as tube wall temperature corresponding to four representative times in an oscillation period are further investigated. Finally, the effect of increasing the secondary inlet throttling is studied. The results show that the shape of heat flux distribution under convective heating mainly depends on the temperature difference between primary fluid and secondary fluid. When density wave oscillations occur in the once through steam generators, the primary outlet temperature and total heating power oscillate intensely. The location of the dryout point moves greatly and the tube wall temperature fluctuates most violently in its vicinity. Flow oscillation could be suppressed by increasing the inlet throttling of the secondary side.