基于抽样的不确定性及敏感性分析的方法在核电厂水膜蒸发试验误差分析中的应用

与传统的误差分析方法相比,基于抽样的不确定性及敏感性分析具有较大的优势。本工作通过耦合DAKOTA程序和水膜蒸发试验数据分析程序,开发了水膜热态试验误差分析方法,计算得到了试验目标参数水膜蒸发换热乘子的不确定性范围,并且分析了试验测量参数的不确定性对蒸发换热乘子不确定性的影响。计算结果表明,水膜入口流量、入口风速以及平板表面温度是主要的不确定性来源。这为优化试验测量系统,减小试验误差提供了定量支持。该方法可以用于其他试验误差分析以及参数重要性分析。     

以R134a为工质的乏燃料池非能动冷却热管实验研究

随着分离式热管不断被提出用于核电站非能动余热排出方案中,开展针对大尺度分离式热管的换热性能的实验研究变得日益迫切。为此,本文开展了以R134a为工质的304不锈钢材质的分离式热管传热特性实验研究,获得了热管整体换热性能、蒸发段内部温度分布特性,以及热源温度和冷凝段外风速对热管工作温度、换热量、换热系数和循环流量的影响。热管蒸发段内R134a经历过冷、两相和过热状态,其中两相区域较长,达6.6 m,因而具有较好的换热能力,在所研究的工况下换热量最高达21 kW。参数敏感性分析表明,热源入口温度和冷凝段风速的增大能促进热管的换热性能,特别是热源入口温度的影响更显著。冷凝段风速较小时,其对换热量的影响较为显著,然而随空气速度的增加,影响降低。此外,依据试验数据拟合得到了换热量与冷热源温差的经验关系式,能在工程应用中快速预测热管的性能。     

应用GOTHIC8.0程序模拟非能动安全壳冷却系统冷凝和蒸发现象的适用性研究

在非能动安全壳冷却系统（PCS）设计基准事故的排热过程中,安全壳内壁面蒸汽冷凝现象和安全壳外壁面水膜蒸发现象是两种非常关键的排热途径。本文应用GOTHIC8.0程序模拟了安全壳内壁面蒸汽冷凝和安全壳外壁面水膜蒸发传热过程,并通过蒸汽冷凝试验和水膜蒸发试验数据,对GOTHIC程序的模拟结果进行了分析和评价。研究结果表明：GOTHIC程序的蒸汽冷凝模型可较好地模拟蒸汽冷凝传热现象;水膜蒸发模型明显低估了水膜蒸发换热量,这对设计基准事故安全壳完整性分析是非常保守的,建议对GOTHIC程序进行适当开发,更好地模拟水膜蒸发换热过程。     

竖直通道内下降液膜蒸发换热的数值研究

下降液膜蒸发换热是CAP1400型反应堆非能动安全壳采用的重要换热机理,准确计算下降液膜蒸发换热量对非能动安全壳换热性能的评价有至关重要的影响。本文利用ANSYS FLUENT软件二次开发,实现了两种下降液膜蒸发换热模型的构建,并将两种模型计算结果与实验结果进行了对比分析。计算结果表明：两种模型均可较为准确地计算壁面下降液膜的蒸发换热系数;模型1的计算结果更加可靠,但在靠近壁面处需非常精细的网格;模型2在壁面处可使用较粗网格,但计算结果对对流换热系数的依赖较大。     

乏燃料水池非能动冷却热管传热性能研究

大尺度分离式热管具有无需电力驱动、换热效率高的特点,可用于断电事故后乏燃料水池非能动冷却,能有效提高核电厂的安全性能。针对大尺度分离式热管的传热特性开展实验研究,获得热管蒸发段外侧加热水流速0.007~0.02 m/s,加热水温度50~90℃,冷凝段冷却空气速度0.5~2.5 m/s参数范围下换热量、蒸发段平均换热系数、工作温度、工作压力以及循环流量随冷凝段风速、蒸发段热源进口温度和速度的变化规律。结果表明,大尺度热管的最大换热量达到20.1 kW。参数的敏感性分析表明,热源温度和热源流速对热管的循环流量、换热量具有显著的影响。冷凝段外冷却空气速度超过1.5 m/s后,其对分离式热管的影响相对较小。     

ACP100非能动安全壳空气冷却系统风载荷性能试验研究

环境风场对模块化小型压水堆（ACP100）核电厂的非能动安全壳空气冷却系统（PAS）的运行有着不可忽视的影响。通过在风洞平台内搭建ACP100小比例模型，探究不同环境风向角度和风速条件对PAS运行的影响；同时，采用Ansys Fluent软件对ACP100试验模型（主要由风洞平台模型和ACP100小比例模型2部分组成）和原厂模型进行数值模拟。结果表明:各环境风向角度、风速条件均有利于PAS换热；随着环境风速的增加，PAS进出口压力均与环境风速呈二次函数递减关系，且当环境风速达到12.5 m/s后，PAS进出口压差与环境风速的平方值正比例相关；ACP100原厂模型数值模拟结果显示环境风速越大，PAS换热效果越佳，当环境风速达到20 m/s时，各环境风向角度对应的PAS换热功率相对无风条件下增幅为23.0%~56.5%，平均增幅为35.6%。研究结果为ACP100的设计及优化提供了有力参考。      

大平板上液膜冲击附板行为的数值模拟研究

利用FLUENT内的EWF模型对大平板上液膜冲击附板时发生的一系列流动行为进行了三维数值模拟研究。分析了不同工况下大平板上不同流量下降液膜冲击不同宽度和厚度附板后的液膜损失,并对比了一定高度返回槽收集水量的实验值和模拟计算值,两者吻合程度较为良好。分析了液膜冲击附板的流动行为的4个过程,并通过分析附板尺寸和液膜流量对液膜冲击附板行为的影响,得到了液膜损失率与受附板高度影响的液膜溅射空间数和液膜冲击附板时的韦伯数之间的关系,发现EWF模型在模拟降液膜冲击不同焊缝高度的附板时存在不足。     

大平板上液膜冲击附板行为的数值模拟研究

利用FLUENT内的EWF模型对大平板上液膜冲击附板时发生的一系列流动行为进行了三维数值模拟研究。分析了不同工况下大平板上不同流量下降液膜冲击不同宽度和厚度附板后的液膜损失,并对比了一定高度返回槽收集水量的实验值和模拟计算值,两者吻合程度较为良好。分析了液膜冲击附板的流动行为的4个过程,并通过分析附板尺寸和液膜流量对液膜冲击附板行为的影响,得到了液膜损失率与受附板高度影响的液膜溅射空间数和液膜冲击附板时的韦伯数之间的关系,发现EWF模型在模拟降液膜冲击不同焊缝高度的附板时存在不足。     

高温热管内钠蒸发冷凝特性分子动力学研究

高温钠热管是热管堆中进行非能动热量传输的核心部件。为深入理解热管内工质钠的蒸发机理及气液交界的传热传质特性,用分子动力学软件LAMMPS模拟了600 K下钠的蒸发,统计了质量调节系数,定为0388 7。随后变更壁温,打破体系内热质输运平衡,进行非平衡态模拟,观察液膜变化,求解气液交界处的净蒸发通量和换热系数。结果表明,9～10 ns后,底部的液膜厚度、气液交界处的净蒸发通量及换热系数分别在01～052 nm、003～007 kg/(m2·s)、22～39 kW/(m2·K)范围波动,此时上部液膜厚度在6 nm左右,其气液交界的净蒸发通量在10-4量级,换热系数为0028 kW/(m2·K),至末期降为0003 5 kW/(m2·K)。本文为钠热管启动阶段的数值模拟提供了参考。     

场协同理论在平行通道内的数值验证

利用SIMPLE算法对两平行平板之间有凸台的湍流回流流动换热进行了数值模拟。计算采用κ-ε两方程紊流模型,对固体区域利用区域扩充法使流场在几何上规则化,对阶梯型凸台边界用壁面函数法进行了特别处理。在入口处流体Re=10000时,数值计算得出了7组不同凸台高度相对应的流场和温度场。结果表明：平行通道表面总换热量以及换热Nu随流体速度与温度梯度矢量夹角的减小而增大．验证了基于二维边界层流提出的场协同理论同样适用于复杂的湍流回流流动。     

钠冷快堆六角形组件换热特性分析

钠冷快堆乏燃料组件在转运过程中,会暴露在传热性能较差的氩气环境中。为保证燃料组件温度在转运过程中低于安全限值,本研究基于37棒燃料组件开展了在氩气环境下的实验研究及数值模拟计算。研究结果表明：可采用等效导热法对组件内绕丝模型进行简化,简化模型能满足计算精度要求。将计算结果与实验研究结果进行对比分析,结果表明数值模拟方法能较好模拟组件在氩气环境下的换热。六角形燃料组件在氩气中的换热分析中,辐射换热具有重要的影响,实验工况下辐射换热占总换热量的36%～57%。     

非能动余热排出热交换器半液位换热性能研究

非能动余热排出热交换器（PRHR HX）是先进反应堆非能动堆芯余热排出系统的关键设备之一,置于内置换料水箱中。水箱内水蒸发或水箱泄漏等故障失水后液位降低,PRHR HX与管外水传热面积和管外流场均发生变化,导致堆芯非能动余热排出能力下降。为分析半液位下PRHR HX换热性能,建立半液位PRHR HX实验装置和数值计算模型,获得稳态和瞬态升温过程的换热量、温度分布和流场特性。实验结果表明,稳态沸腾换热阶段半液位结构的总换热量较全液位时的下降12%～22%,仍具有较强的换热能力。瞬态升温过程中管外换热模式从纯单相对流换热开始,先后逐渐出现局部过冷沸腾和局部饱和沸腾,并最终迅速由局部饱和沸腾转变为全管长饱和沸腾。水箱内逐渐升温过程中出现显著的热分层现象,结合数值模拟分析发现此时管外流体在高度上呈现多层回流流动结构。     

钠冷快堆六角形组件换热特性分析

钠冷快堆乏燃料组件在转运过程中,会暴露在传热性能较差的氩气环境中。为保证燃料组件温度在转运过程中低于安全限值,本研究基于37棒燃料组件开展了在氩气环境下的实验研究及数值模拟计算。研究结果表明:可采用等效导热法对组件内绕丝模型进行简化,简化模型能满足计算精度要求。将计算结果与实验研究结果进行对比分析,结果表明数值模拟方法能较好模拟组件在氩气环境下的换热。六角形燃料组件在氩气中的换热分析中,辐射换热具有重要的影响,实验工况下辐射换热占总换热量的36%～57%。     

不同壁面特性下液膜铺展性能数值模拟

液膜在安全壳表面的流动铺展性能对非能动安全壳冷却系统有重要的影响。采用三维数值模拟方法研究了降膜板表面形貌、接触角与液相雷诺数对液膜铺展性能的影响,并将结果与前人的实验和理论结果对比,吻合良好。研究发现,当降膜板为横向波纹板时液膜完全铺展时间、液膜厚度及界面湍动程度明显大于平板与纵向波纹板,此时波纹板波谷处会有循环流动产生。随接触角的增加或液相雷诺数的减小,液膜逐渐从完整流转变为片状流、溪流、滴状流。在纵向波纹板对液膜的导流与撕裂综合作用下,随接触角的变化,液膜的铺展性能与平板相比也发生较大的变化。     

非能动余热排出换热器换热能力数值分析

基于多孔介质模型,对AP1000非能动余热排出换热器(PRHR-HX)运行初始阶段进行了数值模拟。一回路的入口温度及流量采用RELAP5的计算结果,并以此作为CFD计算的边界条件。采用多孔介质模型处理C型管束区,添加管束区分布阻力。通过商业CFD软件FLUENT计算得到安全壳内置换料水箱(IRWST)侧冷却剂的三维温度及速度分布,通过用户自定义函数UDF完成一回路侧与IRWST侧的耦合换热计算,获得一回路温度分布及换热量。计算结果表明,随着IRWST内冷却剂温度升高,换热器热负荷降低,并出现明显的热分层现象,同时证明采用多孔介质模型与耦合换热计算是分析PRHR/IRWST系统瞬态热工水力特性的有效方法。     

降膜流动行为的数值模拟研究

本文对降膜的流动行为进行了二维和三维的数值模拟。分析了不同雷诺数下降膜的液膜厚度、液膜速度、壁面剪应力。模拟结果与实验值以及理论模型的推导值进行了比较,吻合程度良好。模拟研究表明：三维模拟可再现降膜的表面波动,而二维模拟无法预测这种波动。三维数值模拟得到的瞬态结果也显示了表面波动对液膜速度和壁面剪应力的影响。     

平板过冷流体降膜流动传热特性的数值研究

本文采用电容探针和高速摄像对沿大平板垂直下降液膜的表面波进行了实验测量。根据实验数据对两种典型的波形建立模型。数值计算假设降膜表面波形状不变,且忽略空气对降膜表面的剪应力,对过冷降膜表面波内部的流动和传热特性进行了计算。研究表明：表面波内部液膜的二次涡流对过冷降膜的换热有重要影响。而大波幅的表面波对于换热的增强主要由两方面的效应构成：表面波内部的对流和二次涡流;二次涡流携带大量质能,从而对等效膜厚的减小作用。     

溶液堆内气-液两相流流动及换热特性数值研究

在溶液堆台架模型数值模拟研究的基础上,对实际堆结构的堆芯内气-液两相流流动及冷却盘管与堆内溶液间的换热特性进行了数值模拟研究.采用欧拉两相流模型描述堆芯内气-液两相流流动,MUSIG(MUltiple-SIze-Group)模型描述堆芯内气泡尺度分布和相互作用,流-固耦合模型描述溶液与盘管间换热.数值计算得到了堆芯内的温度、速度、气泡组分等分布及冷却盘管的换热效率.数值计算结果表明:在有气泡扰动时堆内温度分布比没有气泡时均匀,冷却盘管可将堆内产生的85%热量带出,与试验测量结果一致.额定功率时,不同气体产生量对于冷却盘管换热影响的研究表明,随着堆内气泡产生量的增加,溶液与冷却盘管之间的换热得到强化.     

核素迁移中土壤水分的气态传输

本文通过在不同粒径的砂、土层进行的气态水传输试验，提出了关于土壤层中气态水的传输模型，为数值模拟土壤第三阶段水分蒸发提供了参数化方案及理论依据。     

高温热管内钠蒸发冷凝特性分子动力学研究

高温钠热管是热管堆中进行非能动热量传输的核心部件。为深入理解热管内工质钠的蒸发机理及气液交界的传热传质特性，用分子动力学软件LAMMPS模拟了600 K下钠的蒸发，统计了质量调节系数，定为0.388 7。随后变更壁温，打破体系内热质输运平衡，进行非平衡态模拟，观察液膜变化，求解气液交界处的净蒸发通量和换热系数。结果表明，9～10 ns后，底部的液膜厚度、气液交界处的净蒸发通量及换热系数分别在0.1～0.52 nm、0.03～0.07 kg/(m~2·s)、2.2～3.9 kW/(m~2·K)范围波动，此时上部液膜厚度在6 nm左右，其气液交界的净蒸发通量在10^-4量级，换热系数为0.028 kW/(m~2·K),至末期降为0.003 5 kW/(m~2·K)。本文为钠热管启动阶段的数值模拟提供了参考。