低干度自然循环流量漂移的特征曲线图谱分析

在5MW低温核供热堆全模拟试验回路(HRTL-5)上,实验观察到了低干度自然循环条件下的流量漂移现象.通过一个考虑了加热段欠热沸腾、上升段冷凝、闪蒸等物理过程的两相流动数学模型,编制了相应的计算程序,获得了自然循环特征曲线图谱及其运行曲线,确定了自然循环分岔图和静态不稳定边界图,进而提出了通过自然循环特征曲线图谱研究流量漂移的分析方法.分析表明:特征曲线图谱方法是研究自然循环静态不稳定的有效手段.增大系统压力、减小热流密度、增加入口单相阻力、减小出口两相阻力有利于避免自然循环流量漂移的发生.     

两相自然循环系统的静态分岔特性机理分析

基于分岔理论及其DERPAR数值方法及均相模型,计算出两相自然循环系统的静态分岔解图,进一步得到不同压力下质量含汽率和空泡份额随加热功率的变化曲线图;深入讨论了流型转变对两相自然循环流动不稳定性的影响;分析了系统压力、含汽率、汽液两相密度差引起的不稳定性的机理;并比较了不同系统压力、欠热度、阻力、几何构型等参数对质量含汽率和空泡份额的影响。强调指出两相自然循环系统的静态分岔现象主要是由于汽液两相密度差引起的。随着压力的升高,汽液两相密度差异减小,有利于系统的稳定性。     

两相自然循环非能动系统静态分岔特性和参数效应研究

耗散结构在流体动力学中存在,两相自然循环非能动系统稳定性是耗散结构在多相流体动力学中的问题,运用分岔理论及其DERPAR数值方法给出系统随参数变化的演化过程的静态分岔解图图谱。以静态分岔解图呈现的迟滞现象（多平衡解）定义了输热能力限、静态漂移稳定性准则、稳定性裕度、比质量流量输热能力、分岔现象消失—呈单值性的临界参数区的系统演化的自组织特性的物理本质—系统的稳态和时间相关态随着特征参数的演化。用低压下的实验数据与理论计算分析进行比较,变化趋势吻合,尚需进一步验证。     

沸腾两相自然循环回路静态不稳定性的无量纲研究

定义了无量纲分析的参考尺度 ,采用无量纲分析的方法 ,运用一维均相模型 ,从理论上研究了两相自然循环系统的静态不稳定特性 ,总结出了影响两相自然循环系统静态稳定性的几个重要的无量纲参数。运用分岔理论及其DERPAR数值算法 ,得到了由无量纲量Npch m+表示的沸腾两相自然循环系统的静态分岔图 ,详细分析了由浮力和阻力随无量纲的加热功率的非线性的变化特性。并且给出了几个重要系统参数的效应图。     

漂移流模型分析两相自然循环系统静态漂移特性的探讨

基于分岔理论及其DERPAP数值方法，运用漂移流模型分析典型两相自然循环系统的静态分岔解图，并与均相流模型的结果进行了比较。结果表明：与用均相流模型得到的解图相比，用漂移流模型得到的静态分岔解图的不稳定运行区域和输热能力限相对较小。     

两相自然循环系统的静态漂移特性及输热能力限分析

基于分岔理论及其ＤＥＲＰＡＲ数值方法,运用最简单的均相模型计算出典型两相自然循环系统的静态分岔解图,详细讨论了由浮力和阻力随加热功率（含汽率）的非线性变化特性引起的静态分岔机理;导出对应于强迫循环系统的Ｌｅｄｉｎｅｇｇ不稳定性现象及其判断准则;定义稳定性裕度、自然循环系统输热能力限、静态分岔迟滞现象;讨论了系统压力、欠热度、阻力、几何构型等参数对运行稳定性及输热能力限的影响;强调指出了简单理论预测     

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。     

一维自然循环比例分析的结果与讨论

根据一维自然循环比例分析理论模型推导的试验装置与实际电站热工水力特性的相似准则,对整体性能试验装置主要参数的确定方法进行了深入讨论。结果表明:采用小尺度、等压力、同工质的实验装置模拟实际系统自然循环现象更为准确实际,单相和两相自然循环比例准则可同时满足,不存在复杂比例变化带来的失真,不利因素是试验成本偏高。同工质非等物性(不等压)模拟能够降低试验成本,但比例参数不能满足从单相自然循环到两相自然循环的平滑过渡。如保持功率连续,其速度比和特征时间比会有所差异。     

HRTL-5自然循环稳态特性

基于一维两相四方程漂移流模型,采用数值模拟的方法对5MW低温核供热堆热工水力模拟回路（HRTL-5）的自然循环稳态特性进行模拟,分析了HRTL-5自然循环流量特性及其参数效应。结果表明：1)漂移流模型比均相流模型更适用于HRTL-5;2)当系统压力为1.5MPa时,系统自然循环流量随加热热流密度的升高而增加;3)当系统压力为0.5MPa时,系统自然循环流量随加热热流密度的升高先增加后减小;4)自然循环流量随加热段入口欠热度的升高而减小;5)当加热热流密度较低时,〖JP3〗系统自然循环流量随压力的升高而减小,当加热热流密度较高时,系统自然循环流量随压力的变化呈现复杂状况。     

两相自然循环非线性特征及实验研究

采用均相模型,基于分岔理论预测了两相自然循环系统的流量漂移(静态分岔)相关特性,并对其进行了实验验证.同时,对系统的动态参数时序进行了时域和频域分析,研究了特定工况下沸腾喷发弛张动态不稳定性机理.通过对系统相关时序的相空间重构与分维分析,探讨了系统随加热功率变化的非线性演化规律.     

Bifurcation and hysteresis phenomena in the two－phase natural circulation system

The static bifurcation of the two-phase natural circulation (TPNC) system was studied theoretically and numerically.By the DERPAR algorthm the solution diagram was calculated,which shows that the static bifurcation occurs under some conditions in the TPNC systems.Also,it shows that the static bifurcation occurs under some conditions in the TPNC systems.Also,it shows that,in a region of multiple solutions.the static instability may occur.It is defined as a region of thermal-siphon instability induced flow rate jumping.By means of the solution diagram,the stability margin can be determined in this region.Furthermore.the heat input at the peak of the solution diagram is defined as the maximum capacity of heating load that can be used to judge the capacity of the TPNC of a given geometry topological structure,Meanwhile,it is interesting that the TPNC systems have the hystersis phenomenon defined as thermal-siphon hysteresis.Some parametric effects related were also studied.     

Non-dimensional analysis of static bifurcation in a natural circulation loop

The steady-state characteristics of a two-phase natural circulation loop were investigated based on the homogenous model. Transcendental equations of non-dimensional loop mass flow rate under various conditions were also derived. The static bifurcation diagram of a two-phase natural circulation described with non-dimensional variables Npch-m^＋ was obtained. In addition, various steady-state characteristics of a natural circulation loop were analyzed and discussed. These characteristics include the existence of multiple solutions under certain conditions, and the maximum mass flow rate. The authors also examined the effects of important parameters such as sub-cooling number, riser-to-heated-region length ratio, and riser-to-heated-region diameter ratio.     

Flow excursion phenomenon and its mechanism in natural circulation

An experiment was performed on the test loop (HRTL-5), which simulates the geometry and system design of a 5-MW nuclear heating reactor. In a wide range of inlet subcoolings, different flow modes, such as single-phase stable flow, subcooled boiling stable flow, subcooled boiling static flow excursion, density-wave oscillation and stable two-phase flow in the natural circulation system have been described. The phenomenon and mechanism of the static flow-excursion, which has never been studied well on this field, is especially interpreted. The experimental results show that, in the process of flow excursion, the mass flow rate and the inlet temperature decreases, while the exit temperature increases smoothly. As the process of the excursion continues for about 1 h, short period dynamic flow oscillation occurs, which can only be seen in the process of this static flow excursion, and has also never been studied well. These static and dynamic flow instabilities combine together and continue for about 2 h, then a point is reached, at which the static flow excursion disappears, but the dynamic flow oscillation continues. The mechanism of the static flow excursion is interpreted through two sets of curves for flow resistance pressure drop and driven head in natural circulation, and one curve for the natural circulation operation under special thermohydraulic condition. The study of the flow excursion and its concerned dynamic flow oscillation is of great significance for the development of the nuclear heating reactor under natural circulation.     

低压低功率条件下两相自然循环特性试验研究

相比于陆基核电厂,船用核动力装置的非能动安全系统运行压力较低,运行功率变化频繁,在两相自然循环条件下,非能动安全系统内的流动更加复杂多变。为了研究两相自然循环在低压、低功率条件下的循环特性,基于比例分析方法搭建了两相自然循环的原理试验台架,研究了低压条件下功率和初始液位高度对自然循环特性的影响。结果表明,在低压条件下,系统稳定运行后的压力、流量等均受初始液位高度和功率的影响。当功率为50 kW时,初始液位越高,系统稳定后的压力越大,但是流量相差较小;初始液位一定时,功率在40%满功率～100%满功率内,随着功率的增大,系统稳定后的压力也逐渐增大。这为试验台架后续两相自然循环的研究提供了方向,也为船用核动力装置非能动安全系统研究提供了参考。     

Experimental investigations on steady state natural circulation behavior of multiple parallel boiling channel system

In some industrial applications, including nuclear power plants, natural circulation flow is often employed as a reliable heat transport method. A common characteristic of many industrial two-phase natural circulation systems is the presence of a large number of parallel boiling channels. Sensitivity of the steady state behavior of such a two-phase natural circulation system to different system parameters has many implications vis-à-vis performance of the system as per the design intent under various operating conditions. This article reports the results of experimental studies carried out on the characteristics of a low pressure two-phase natural circulation system with parallel boiling channels having their individual heat sources. The work covers the study of dependence of system behavior on operational history, down-comer resistance and channel power. In view of its particular significance in nuclear industry, a special system condition with zero power in one of the parallel channels was also studied. An experimental setup consisting of 10 transparent parallel channels was designed and constructed for conducting these experimental investigations.     

蒸汽发生器U型管低含气率两相倒流现象研究

针对立式倒U型管自然循环蒸汽发生器传热管内的两相倒流现象,基于均相流模型,建立了U型管内低含气率两相流动传热理论模型,给出了U型管的进出口压降-质量流量曲线,分析了U型管内出现两相倒流现象的机理,研究了二次侧流体温度和入口含气率对倒流现象的影响规律,并与单相倒流进行了对比。利用RELAP5/MOD 3.3程序对相同条件下的倒流问题进行了计算。研究表明,提高蒸汽发生器二次侧工作压力可减少倒流,两相流入口含气率越高,倒流越易发生,两相流较单相流在U型管内更易倒流。     

细长自然循环系统流动不稳定性实验研究

以水为工质,在常压下对拥有细长回路和较长水平段的自然循环系统进行可视化实验研究,并以典型的实验现象（ P =1.46 kW）为例分析该系统的瞬态运行特性和不稳定性机理。结果表明：阻力系数较大的细长自然循环回路难以产生有效的单相自然循环,只能通过间歇性沸腾和两相流动将热量导出。这是因当回路阻力较大时,过冷沸腾产生的驱动力无法驱动回路产生有效的自然循环,而只有当加热段内流体发生饱和沸腾时才能驱动系统产生循环流动。较大的回路阻力和沸腾过程中产生的系统降压闪蒸是细长自然循环系统难以维持稳定的流动驱动压头从而产生间歇性沸腾和强烈流动不稳定性的根本原因。     

开式自然循环系统启动特性研究

针对开式自然循环系统启动特性进行了实验研究。实验表明:不同加热功率下,开式自然循环系统会经历不同的流动演化过程。低加热功率下,系统经历单相循环、喷泉不稳定,最终演化为闪蒸不稳定;中等以及高加热功率下,系统依次经历单相循环、喷泉不稳定和沸腾伴随闪蒸不稳定后,分别演化为稳定的汽液流动和密度波振荡。导致启动过程流动演化的主要原因是随着加热管入口水温的升高,管内沸腾现象持续增强,上升段内闪蒸现象则先增强而后减弱,两者相互作用,导致系统流量、相变位置及空泡份额等发生明显变化。最后,绘制了开式自然循环启动过程的无量纲化流动不稳定区域分布图,并拟合得到了喷泉不稳定及闪蒸主导的不稳定起始边界的经验关系式,拟合结果与实验结果符合良好。     

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。