交叉气流对安全壳水膜作用的试验装置设计

简要介绍了非能动安全壳冷却系统在事故情况下的工作原理。针对交叉气流对安全壳表面水膜的影响,设计了平板试验台架装置和相应的测量系统。结合试验特征和流体力学理论及经验关联式,分析计算了空气流道间距和测量系统的中探针布置位置对试验结果的影响。研究结果表明,试验设计方案合理可行,空气流道间距设为150 mm、第一排探针放置在距离试验板上边1 m处较为合理。     

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。     

水分配围堰的水膜流动特性数值模拟

设置一定数量的水分配围堰V型出水口可保证安全壳外壁的水膜覆盖率,有助于事故后壳内热量排出。本文探讨了一种适用于水膜流动特性的CFD分析方法,该方法经理论及试验验证,具有较高的精度。研究得到:随着单V型出水口入口流量增大,水膜稳定宽度线性增长,平均水膜厚度变化不大;V型出水口角度对水膜稳定宽度及水膜厚度不敏感;工程上可合理选择出水口的数量以使系统最优化。     

安全壳外液膜流动延迟时间的试验研究

非能动安全壳冷却水系统响应至壳外水膜稳定的时刻称为延迟时间。延迟时间是非能动换热、核安全系统设计等方面的关键参数。在重力作用下,大空间曲率表面降膜流动覆盖安全壳表面有2个过程:1水流向下流动,导致原干区变为湿区;2因水膜的半稳定性,横向润湿干区,使得接触角变小,缓慢增加水膜覆盖区域。2个过程的耦合导致难以判定壳外水膜稳定的时刻。本文根据非能动大型先进压水堆核电站CAP1400水分配试验,在获得收集水槽液位、流量和水膜覆盖图片等数据的基础上,通过图像处理方法及对比分析,提出流量稳定和覆盖稳定2种判定水膜稳定的方法,解决延迟时间的计算问题,得到不同分水结构形式下延迟时间随流量的变化趋势和规律。     

大尺度试验体表面液膜物理特性的综合测量

测量对象为CAP1400非能动安全壳冷却系统水分配试验台架,其表面积超过200 m2。在水分配试验的测量系统中采用高精度电容探针的方式来测量试验体表面的液膜的厚度;通过设置多个收集水槽,以收集水槽的液位变化来表征局部区域的表面流量;采用工业电荷耦合元件(CCD)相机,通过拍摄试验体表面的图像,再以机器视觉处理的方式,计算得到大空间中试验体表面的液膜覆盖率。采用以上的方式,可以比较清楚全面地了解试验体表面的液膜的相关分布特性。     

PCS表面液膜覆盖率对安全壳完整性影响分析

钢制安全壳是防止严重事故工况下放射性物质向环境释放的最后一道屏障,因此有必要研究分析事故条件下安全壳外液膜覆盖率对安全壳完整性影响,以得到安全壳在事故工况下的失效裕度。应用非能动安全壳分析程序,建立了大功率非能动反应堆非能动安全壳冷却系统(Passive Containment Cooling System,PCS)的热工水力模型,并以冷段双端剪切事故为基准研究对象,分别研究了水分配器单一故障和出水管堵管叠加水分配器故障两种事故工况。分析结果表明,两种事故工况在液膜覆盖率大于35%时,均不会出现短期安全壳超压超温失效;事故后24 h,液膜覆盖率低于45%时,安全壳出现长期冷却失效。此次研究得出结论:在流量大于61.76 m3·h-1、安全壳液膜覆盖率大于45%时,事故发生后24 h安全壳不会失效。     

非能动核电站安全壳外壁下降水膜的稳定性分析

阐述非能动核电站安全壳外壁冷却水膜稳定性的重要意义,探讨临界水膜厚度和临界空气流速的计算方法及其在非能动核电站中的适用性,并应用水膜脱离模型和表面波模型,探讨维持水膜稳定、避免水膜脱离和水膜破裂的条件,为各种非能动核电站安全壳外壁水膜稳定性的试验研究奠定基础。     

海阳核电一期工程严重事故下非能动安全壳冷却能力分析

采用一体化事故分析程序建立了包括主冷却剂系统、专设安全设施、安全壳系统和非能动安全壳冷却系统(PCS)的海阳核电一期工程核电厂模型,对核电厂压力容器直接注射(DVI)管线破裂、冷段双端断裂、自动卸压系统(ADS)误启动、热段2英寸破口等严重事故序列进行了模拟计算,分析反应堆系统的热工水力行为。并通过安全壳系统的压力和温度响应,分析了非能动安全壳冷却系统在严重事故工况下的冷却能力。计算表明,对于分析的严重事故工况,在72h内,PCS的冷却能力能够保持安全壳内压力和温度处于较低水平,可以保障安全壳完整性。分别针对PCS水膜覆盖率以及环境温度对PCS冷却效果进行了敏感性分析,表明水膜覆盖率降低和环境温度升高均会使PCS冷却能力降低,安全壳内压力升高,但均未超出其设计压力。     

基于CERT试验台架的PCS系统关键影响因素分析

非能动安全壳冷却系统(Passive Containment Cooling System,PCS)是第三代非能动反应堆的专设安全系统之一,用于在事故情况下导出安全壳内热量。基于非能动安全壳冷却系统综合性能试验台架(Containment safety v Erification via integ Ral Test,CERT),本文研究影响PCS系统冷却效果的关键因素。采用安全壳分析程序针对CERT试验台架进行建模和计算,将计算结果与试验结果进行了对比验证。在此基础上模拟了冷管段双端断裂事故喷放下的试验壳内压力响应,并对壳外冷却水流量、壳外冷却水膜覆盖率、环腔风速等关键参数进行了敏感性分析。结果表明,冷却剂丧失事故(Loss Of Coolant Accident,LOCA)工况下,壳内压力经历两个峰值后逐渐降低,峰值压力0.266 1 MPa。壳外冷却水流量、水膜覆盖率对冷却效果影响显著,二者的降低将造成壳内压力的升高;环腔风速的增大有一定的降压作用。     

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。     

竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究

对冷态降液膜在大平板上的流动特性进行了实验研究,运用电容式精密测微仪测定垂直降液膜的厚度,考察了在无蒸发情况下雷诺数对降液膜厚度和流量对液膜覆盖率的影响规律,得到平均膜厚经验关系式,并认为液膜在达到临界膜厚后,随流量增加只会使覆盖率增大而厚度几乎不变,发现同流量下接触角较小的平板上液膜覆盖率较大。     

Application results of a prototype ultrasonic liquid film sensor to a 7 MPa steam–water two-phase flow experiment

A prototype ultrasonic liquid film sensor was applied to a high-temperature steam–water two-phase flow experiment. The liquid film sensor was vertically installed in a loop which was connected to HUSTLE, a multi-purpose steam source test facility. The hydraulic diameter of the measurement section was 9.4 mm. The output waveforms of the sensor were acquired with a digital oscilloscope. The fluid temperature and system pressure were kept at 288 °C and 7.2 MPa, respectively, during the experiment. The pulse-echo method was used to calculate the liquid film thickness. The cross-correlation calculation was utilized to determine the time difference between the pulse reflected at the sensor surface and the pulse reflected at the liquid film surface. The time-averaged liquid film thicknesses were less than 0.055 mm in the annular flow condition. The increase of the time-averaged thickness was small with the change of the gas momentum flux. The film thicknesses measured with the sensor were compared with the past experimental results; the former were smaller than one-fourth of the thickness estimated as the mean film thickness. The comparison results suggested that the continuous liquid sublayer thickness was measured with the liquid film sensor.     

非能动安全壳冷却系统膜状冷凝强化换热设计

非能动安全壳冷却系统(PCCS)能在反应堆发生事故时将安全壳内部的热量及时导出,避免安全壳因超温、超压而失效。为强化换热,本文设想在安全壳内部安装阻隔带和液滴收集装置,通过降低层流区液膜厚度、扰动不可凝气体隔离层并充分利用湍流的换热强化作用,降低总的换热热阻,提高换热效率。以AP1000为例,依托GDLM模型对改进前后安全壳的换热情况进行分析,结果表明,通过安装阻隔带和液滴收集装置,能降低安全壳壁面的液膜厚度,提高壁面热流量,从而实现强化换热。     

一维开式自然循环系统分析程序的实验验证

基于华龙一号非能动安全壳热量导出系统（PCS）综合性能实验装置实验结果,对采用基于漂移流模型开发的华龙一号PCS程序（PCS?NCCP）进行验证,对比分析了设计工况及非设计工况下PCS?NCCP程序计算值与实验值之间的误差。结果显示,所开发的PCS?NCCP程序能模拟PCS的排热能力、稳态运行特性和动态响应特性,程序计算值能很好地跟踪实验的趋势和幅值变化,绝大部分计算误差落在±20%范围内,验证了PCS?NCCP程序的准确性。     

竖直平板水膜表面波演化行为实验研究

设计与搭建了大尺寸水膜稳定性实验台,并进行了竖直平板上降水膜表面波过程参数演化实验。实验中水膜Re的范围为300~1 350。借助高频电容式水膜测厚仪和高速摄像仪等测量设备对水膜表面波速率、波长、频率等参数随平板沿程位移增加的演化行为进行了测量与分析。实验结果表明：中低水膜Re条件下表面波运动速率、波长和频率与沿程位移弱相关;同时,在仔细观察整个小波交融现象演化过程的基础上,对小波交融特征进行了总结。     

An experimental study on evaporative heat transfer coefficient and applications for passive cooling of AP600 steel containment

After TMI and Chernobyl accidents, many efforts have been made to enhance the nuclear safety with passive features. Among such passive features, the passive containment cooling system (PCCS) has been suggested by Westinghouse in the AP600 plant. The containment with PCCS is a dual containment, and consists of a stainless steel vessel and a concrete wall. In the gap between these structures, air and water can counter-currently pass and cool the steel surface. This paper experimentally investigates evaporative heat and mass transfer at the surface of a falling water film with counter-current air flow in a vertical duct with one-side heated plate. Experiments included various conditions of mass flow rate of film and air. Experimental results show the strong effects of water temperature and air mass flow rate, but little effect of the water flow rate. Also, simple analyses based on heat and mass transfer analogy were performed to evaluate the experimental results. With experimental data, a new correlation on evaporative mass transfer coefficient was developed, and with the correlation, the containment pressure and temperature was calculated for the design basis accident of AP600 by the use of CONTEMPT4/MOD5 code implementation.