窄通道自然循环临界热流密度的非线性分析

通过自然循环流动实验,取得5 mm间隙窄矩形通道的自然循环临界热流密度（CHF）发生时的可视化图片,以及流量、壁温和实验段压差信号,并运用非线性分析技术对CHF发生过程进行了定性和定量研究。研究发现：自然循环压差时间序列的功率谱在半对数坐标中呈指数下降;自相关系数逐渐下降;三维吸引子相图表现出奇怪吸引子的特点。这表明了自然循环系统CHF的发生过程具有非线性混沌特性。自然循环CHF发生的初始阶段,由于流量脉动和流型往复变迁,流动和换热表现出一定的周期性;随着热流密度的提高,周期性减小,随机性增大,但总能达到一个确定的状态,体现了混沌运动的特点。     

窄矩形通道自然循环流动停滞与临界热流密度研究

在华北电力大学自然循环实验室进行了自然循环条件下窄矩形通道内的临界热流密度(CHF)实验,对实验中出现的流动停滞及传热恶化现象进行了观察。提出自然循环饱和沸腾条件下,窄矩形通道内的流动停滞-传热恶化发生机理。即自然循环流量漂移发生后会产生流型变迁不稳定,继而造成流量的持续波动,并导致停滞现象,从而使出口附近的液膜层在一定的热流密度下被完全蒸发并引起CHF现象。而窄矩形通道内,由于受间隙尺寸的限制,蒸汽流对加热面上的液膜层产生挤压作用,加热面上液膜层厚度因此会变得较薄,在较小的加热量下便能发生传热恶化。基于机理分析,给出了相应的计算模型。引入了考虑窄通道间隙尺寸效应的无量纲约束数Nconf和反映自然循环流动特点的特征因子C,分别对模型进行了修正。根据实验结果,对计算模型进行了多元回归拟合,并对其准确性进行了验证。通过对实验结果与模型计算值的比较发现,随着通道入口流速和系统压力的增大,CHF均增大;而随着出口干度的增大,CHF会减小。     

RELAP5对自然循环下临界热流密度的数值分析

临界热流密度(CHF)是导致沸腾传热变化而使发热元件表面发生传热恶化的现象。RELAP5等系统程序的CHF模型对于传热系统的安全分析有重要影响。基于RELAP5程序对单棒及三棒束自然循环CHF实验进行建模,并在CHF实验数据基础上对RELAP5中CHF预测值进行对比分析。实验装置是带有一个向上流动通道的自然循环回路。其中单棒束加热测试段由一根轴向非均匀加热的电加热棒及圆管外壁组成的环管状流道,三棒束流道由三根相同的轴向非均匀加热棒与三叶型的外管组成。实验条件为低压、低流量的自然循环流动:入口压力110～270 kPa、入口过冷度为10～70 K、自然循环流量0～400 kg/(m2·s)。依次以质量流量、入口压力和过冷度为基准参数对比分析实验值和RELAP5预测值。结果表明在低压、低流量及自然循环条件下,RELAP5中的CHF预测值随着质量流量的增大而增大,与入口压力及过冷度之间的依赖关系不明显。通过对实验值与模型计算值的比较得到,单棒束RELAP5模型预测的CHF值偏高于实验值,而三棒束RELAP5模型的预测值较实验值偏低。     

两相自然循环系统压降震荡流动不稳定性研究

采用CATHARE程序对两相自然循环系统的压降震荡流动不稳定进行数值模拟。计算结果表明,两相自然循环系统中,自然循环回路与稳压器之间的压降震荡是导致流动不稳定出现的主要原因。通过限制自然循环回路与稳压器之间的流量波动,可以防止两相自然循环出现流动不稳定。     

摇摆运动下自然循环高含汽率流动特性研究

针对摇摆运动下自然循环高含汽率流动特性进行了理论研究。与摇摆运动下的自然循环单相流动波动不同,摇摆运动下的自然循环高含汽率流动波动幅度很小,流动相对稳定。通过构建数学模型,对摇摆运动下自然循环单相流动和高含汽率流动的流动特性进行了计算,计算结果与实验结果符合良好。对两种流动状态下各项压降及摩擦阻力系数进行了分析。分析结果表明,驱动压头和阻力系数的增加是摇摆运动下自然循环高含汽率流动相对稳定的原因。     

矩形通道临界热流密度计算模型的实验评价

自然循环条件下,矩形通道内的临界热流密度(CHF)发生受到很多因素影响,目前对其特征的把握尚不完善。将本研究中得到的实验结果与Katto的强迫循环和Zhang的自然循环两种CHF模型的计算值进行比较,分析两种模型在实验条件下的适用性以及入口流速、出口质量含汽率和压力对CHF的影响。研究表明:Katto模型的计算结果普遍高于实验值,而Zhang模型的计算结果与实验值符合较好。随着入口流速的增大,自然循环和强迫循环CHF均逐渐增大;随着出口质量含汽率的增大,两类循环的CHF均减小;随着压力的增大,两类循环的CHF都增大,而在较大压力条件下自然循环CHF的增长速率随系统压力的增大而减小。     

矩形通道临界热流密度计算模型的实验评价

自然循环条件下,矩形通道内的临界热流密度(CHF)发生受到很多因素影响,目前对其特征的把握尚不完善。将本研究中得到的实验结果与Katto的强迫循环和Zhang的自然循环两种CHF模型的计算值进行比较,分析两种模型在实验条件下的适用性以及入口流速、出口质量含汽率和压力对CHF的影响。研究表明:Katto模型的计算结果普遍高于实验值,而Zhang模型的计算结果与实验值符合较好。随着入口流速的增大,自然循环和强迫循环CHF均逐渐增大;随着出口质量含汽率的增大,两类循环的CHF均减小;随着压力的增大,两类循环的CHF都增大,而在较大压力条件下自然循环CHF的增长速率随系统压力的增大而减小。     

反应堆失流事故下堆芯自然循环冷却能力的模拟实验研究

为分析不同热工参数对强迫循环向自然循环过渡过程及稳定自然循环阶段传热及流动特性的影响,在内径为6 mm的竖直实验段内开展实验,研究不同入口过冷度、热流密度及初始流量对强迫循环向自然循环过渡过程以及稳定自然循环过程的影响。实验结果表明：入口过冷度及热流密度对自然循环向强迫循环过渡过程及稳定自然循环过程的换热能力有明显影响,而初始流量对该过渡过程及稳定自然循环的换热能力的影响并不显著。     

开式自然循环系统不稳定性实验研究

核电站非能动安全系统依靠自然循环将热量导出,然而系统中的驱动压头、流动阻力、流量等相互影响,容易引发流动不稳定性,导致流动沸腾临界热流密度大幅降低,带来安全问题。因此,流动稳定性是自然循环热力系统的重要研究对象。本文以开式竖直加热圆管为实验本体,通过实验和物理建模的方法,研究了自然循环条件下管内间歇沸腾现象和流动不稳定特性。研究结果表明：随着热流密度的升高,系统将经历初始状态、低频脉动、高频脉动和稳定的自然循环四个阶段。基于实验数据,建立了不稳定边界的预测模型,预测值和实验值符合良好,误差在±10%内。     

矩形回路铅铋自然循环稳定性研究

为了对矩形回路铅铋自然循环流动稳定性进行分析，得到影响自然循环流动的因素及其作用规律，采用时域法，开发一维系统程序FRTAC对铅铋自然循环进行数值计算，分析处理动态时序判定其稳定特性，获得了铅铋自然循环在相关工况条件下的稳定域与稳定性边界、铅铋自然循环回路的流动稳定性特性，以及影响因素与规律。研究表明，增大回路加热段长度会使系统的稳定性增强，而增大流道直径以及冷热段心位差均会使系统稳定性裕量降低，稳定性减弱。     

低压自然循环复合流量脉动实验研究

在低压流动沸腾不稳定性实验中,研究了自然循环流动在不同入口过冷度下的演化过程。对实验中的流动沸腾不稳定性入口流量信号进行快速傅里叶变换,基于振幅和频率特性区分了3种流动脉动模式：小幅流量脉动、复合流量脉动和逆流。分析了加热功率和入口过冷度对自然循环不稳定性的影响。根据加热段出口水温变化得到了出口的流型变化,当流量波动振幅较小时加热段出口流体始终是饱和状态,而当流量波动振幅较大时,加热段出口为单相液体和两相混合物交替通过。给出了这3种流量脉动的边界图,分析了热流密度和入口过冷度对流量脉动模式的影响。结果表明：出口含气率大于0时发生流动不稳定性,热流密度达到间歇干涸型临界热流密度时发生逆流。     

立式倒U型管蒸汽发生器倒流现象及初步分析

文章涉及中国核动力研究设计院自然循环实验装置单相稳态自然循环实验过程中立式倒U型管蒸汽发生器(UTSG)模拟体一次侧流体的流动特性。实验观察到：1)UTSG模拟体进口腔室压力低于出口腔室压力；2)UTSG模拟体入口腔室温度较热段温度有一陡降。通过对该实验现象的分析可以判定，在单相自然循环工况下，UTSG模拟体中某些传热管内出现了倒流。实验结果表明，倒流的出现使UTSG模拟体自然循环工况下的流动阻力系数较强迫循环工况下的明显增大。      

Analysis of Reverse Flow in Inverted U-Tubes of Steam Generator under Natural Circulation Condition

In this paper, we report on the analysis of reverse flow in inverted U-tubes of a steam generator under natural circulation condition. The mechanism of reverse flow in inverted U-tubes of the steam generator with natural circulation is graphically analyzed by using the full-range characteristic curve of parallel U-tubes. The mathematical model and numerical calculation method for analyzing the reverse flow in inverted U-tubes of the steam generator with natural circulation have been developed. The reverse flow in an inverted U-tube steam generator of a simulated pressurized water reactor with natural circulation is analyzed. Through the calculation, the mass flow rates of normal and reverse flows in individual U-tubes are obtained. The predicted sharp drop of the fluid temperature in the inlet plenum of the steam generator due to reverse flow agrees very well with the experimental data. This indicates that the developed mathematical model and solution method can be used to correctly predict the reverse flow in the inverted U-tubes of the steam generator with natural circulation. The obtained results also show that in the analysis of natural circulation flow in the primary circuit, the reverse flow in the inverted U-tubes of the steam generator must be taken into account.     

An investigation of flow characteristics and critical heat flux in vertical upward round tube

Prediction of critical heat flux （CHF） in annular flow is important for the safety of once - through steam generator and the reactor core under accident conditions. The dryout in annular flow occurs at the point where the film is depleted due to entrainment, deposition, and evaporation. The film thickness, film mass flow rate along axial distribution, and CHF are calculated in vertical upward round tube on the basis of a separated flow modcl of annular flow. The theoretical CHF values are higher than those derived from experimental data, with error being within 30%.     

低压自然循环系统流动闪蒸过程流型研究

本文采用高速摄影和网格电导传感器对低压自然循环系统垂直上升段内闪蒸诱发的两相流流型演变开展研究。针对不同的流动状态,分别给出了稳定和不稳定两相流动条件下上升段内的流型种类。基于上升段内流体温度沿轴向的变化规律,确定流体温度沿轴向位置的转折点为闪蒸发生的起始位置。采用无量纲过冷数和闪蒸数,对低压自然循环系统的流动状态进行了划分;在入口过冷数小于12、闪蒸数介于4～5之间时,系统处于稳定的两相自然循环流动状态。     

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。     

自然循环条件下UTSG非均匀流动研究现状

自然循环条件下,UTSG并联倒U型传热管内存在非均匀流动,部分传热管出现倒流,倒流的发生对反应堆自然循环能力产生显著的影响.本文综述了自然循环条件下UTSG非均匀流动研究现状,包括非均匀流动的实验研究、机理分析及数值计算研究.在讨论现有研究存在缺陷的基础上,对进一步的研究提出了一些建议.     

低压低干度自然循环流量漂移分析

在 5MW核供热堆全尺寸全参数模拟试验回路HRTL 5上进行的实验中 ,观察到在一定条件下系统发生静态流量漂移的同时 ,伴随动态流量振荡。本文总结了HRTL 5模拟试验回路上的实验研究结果 ,分析了低压低干度自然循环系统的特点、欠热沸腾和闪蒸的作用机理 ,较完整地描述了自然循环流量漂移的整个过程。分析结果表明 :1 )在自然循环系统中 ,欠热沸腾和闪蒸对流动稳定性具有重要作用 ;2 )自然循环流量漂移是一个长热工过程 ,动态振荡也可以发生在静态流量漂移过程中 ;3 )在静态流量漂移的发生、发展并向动态振荡转变的过程中 ,先是欠热沸腾占主导地位 ,然后逐渐转变为闪蒸占主导地位 ,最后主要表现为密度波振荡的形式。自然循环流量漂移对 5MW堆的设计、安全分析以及升级开发具有重要价值。     

自然循环流动不稳定条件下的传热特性实验研究

为探究流动不稳定性机理,在低压自然循环系统中开展了一系列相关实验,分析了不同流量振荡模式下自然循环的沸腾传热机制及局部传热特性。实验表明：中、低热流密度下出现的较规则的周期性振荡由加热段内流动沸腾诱发,壁面过热度不会随流量振荡而大幅度变化;高热流密度下自然循环系统出现的周期性不规则振荡现象中,流动沸腾类型间的相互转变不是流量波动的唯一原因。大幅度的流量脉动可能在高热流密度下导致沸腾临界的发生,出口壁面出现间歇性干涸,局部传热系数下降的同时伴随壁温的短暂飞跃。随着热流密度的提高,自然循环系统可能出现持续性干涸。