自然循环蒸汽发生器倒U型管内倒流现象影响因素研究

在某些自然循环工况下,蒸汽发生器部分倒U型管内存在倒流现象。基于一维Oberbeck-Boussinesq方程,建立了蒸汽发生器并联倒U型管内单相水流动传热模型,并以两种尺寸的蒸汽发生器为例进行了计算。计算结果表明,小型蒸汽发生器内短管易发生倒流,大型蒸汽发生器内长管易发生倒流;蒸汽发生器进口水温对倒流现象的发生具有重要的影响。     

自然循环工况下蒸汽发生器U型管中倒流特性研究

在自然循环低流量工况下,会有部分U型管内流体处于倒流状态,等效增加蒸汽发生器的阻力系数,使得回路自然循环流量低于不考虑倒流时的理论预测值。本文从一维动量方程出发,分析U型管内流体稳定正向流动的限制条件,在此基础上,结合蒸汽发生器U型管和回路的质量、能量方程,分析自然循环回路内流体处于稳定流动状态时倒流份额的范围,并探讨回路局部阻力系数和U型管数目对倒流份额的影响。结果表明,回路局部阻力系数和U型管数目的减小均有助于减小倒流份额。     

自然循环蒸汽发生器倒U型管内的倒流计算

采用同时表示正流和倒流的全水动力特性曲线分析了自然循环压水堆一回路系统蒸汽发生器倒U型管内发生倒流的机理。针对蒸汽发生器内倒U型管数量巨大问题,提出了一种集总-分布参数模型。该模型用于计算实际自然循环蒸汽发生器倒U型管内的倒流时,具有计算快捷且精度高的优点。利用该模型对自然循环蒸汽发生器并联倒U型管内的正、倒流进行计算,并将计算结果与所有倒U型管逐根进行正、倒流计算的结果进行比较,结果十分接近,验证了本文模型的可靠性。     

用于缓减UTSG倒流的U型管改进研究

针对自然循环条件下蒸汽发生器部分并联U型管出现的倒流现象,以增强自然循环能力和减少倒流为目的,提出非对称U型管改进方案。基于基本守恒方程,建立了非对称U型管流动传热计算模型和自然循环冷热源位差计算模型。在此基础上,以某型核动力装置U型管为原型,对改进前后U型管倒流临界流量与回路冷热源位差的变化进行了计算分析。计算结果表明：非对称U型管改进使倒流临界流量明显减小,回路冷热源位差明显提升。适当调整U型管上升段与下降段长度比可减少倒流发生,提高自然循环能力。     

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。     

自然循环蒸汽发生器并联倒U型管流量分配计算

针对自然循环工况下蒸汽发生器部分倒U型管内存在倒流现象,通过对倒U型管内流动传热特性进行分析,获得了倒流发生的判断依据,从而编制了流量分配计算程序。采用该程序对某型蒸汽发生器并联倒U型管流量分配进行了计算,通过将结果与实验值进行对比分析,对程序可信度进行了验证,并采用该程序对蒸汽发生器并联倒U型管主要热工参数随进出口压降变化情况进行了计算分析。结果表明,倒流现象发生在短管内,倒流的发生使得蒸汽发生器一次侧净流量和单位时间输热呈阶梯下降,对反应堆安全产生较大的影响。     

蒸汽发生器U型管单相流动不稳定性分析

自然循环条件下,蒸汽发生器并联U型管束内存在单相流动不稳定性,部分U型管内存在倒流现象,对反应堆非能动安全产生负面影响。本文通过对基本守恒方程无量纲处理,采用线性扰动分析理论,获得了Ｕ型管内流动不稳定性判断准则(特征格拉晓夫数)。结果表明,当U型管格拉晓夫数高于特征格拉晓夫数时,管内流动是不稳定的,会出现倒流现象。以某型蒸汽发生器为对象,对U型管束流动不稳定性进行判断,通过与现有判别方法进行对比,验证了建立的U型管内流动不稳定性的判别方法。在此基础上,分析了蒸汽发生器一次侧流体入口密度对倒流现象的影响,发现当入口密度降低时,倒流现象更容易发生。本文结论可为蒸汽发生器优化设计提供一定的理论支持。     

海洋条件下U型管蒸汽发生器传热管倒流特性研究

对海洋条件下U型管蒸汽发生器（SG）传热管倒流特性进行研究,以RELAP5程序为基础,建立了典型海洋条件的动态仿真模型并验证了模型的正确性。针对反应堆启堆阶段,研究了不同的摇摆条件对低流量强迫循环工况下SG内 U型管内流动的影响。结果表明:强迫循环开始后持续的时间越长再引入海洋条件后越不易发生倒流;绕与SG管束弯管轴线平行的轴线摇摆更容易发生倒流。      

接管布置方式对UTSG倒流现象的影响分析

蒸汽发生器进出口腔室的流场结构对倒流现象有重要影响,而进出口接管布置方式能改变其腔室流场结构。本文建立了两种不同接管布置方式蒸汽发生器三维模型,采用CFD方法模拟了其在低流量条件下的流动换热和流场结构,分析了接管布置方式对倒流现象的影响。研究结果表明:接管布置方式对腔室流动速度场产生显著影响,进而影响到U型管进出口压降和流量分配。适当改变接管布置方式可使流量分配不均匀性降低、U型管进出口负压降升高,从而使蒸汽发生器倒流发生的临界流量和倒流总流量降低。     

管长对UTSG倒流管空间分布的影响分析

自然循环条件下,自然循环U型管蒸汽发生器(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;现有研究对倒流管的空间分布存在不同认识。通过建立一维、稳态条件下的传热管内流动换热模型,发现传热管管长对并联倒U型管间的流量压降对比关系产生影响,进而对倒流管的空间分布产生影响。传热管管长较小的UTSG,短管将先于长管发生流量漂移;反之,长管将先于短管发生流量漂移。采用最佳评估程序RELAP5/MOD3.3对研究结果进行了验证。     

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.     

自然循环U型管蒸汽发生器管内倒流受管长影响的理论研究

自然循环U型管蒸汽发生器（UTSG）在一次侧处于自然循环工况下其部分U型管可能会出现倒流现象,这对自然循环带来不利影响。本文通过理论分析UTSG的U型管的水动力学曲线,获得U型管内发生流动不稳定时的临界压降与管长的关系,并利用系统分析程序RELAP5进行数值验证,验证结果表明:当管长增加时,临界压降呈先减后增的趋势,即小型的UTSG的最短U型管先出现倒流,而大型的UTSG最长管先出现倒流。所得结论解释了不同的仿真模拟研究得到的倒流管的分布不同的现象,为UTSG管内倒流及其管空间分布的预测提供理论依据。      

进出口阻力对倒U型管束内倒流特性的影响分析

蒸汽发生器（SG）倒U型管束内倒流问题增大了自然循环条件下SG的流动阻力，降低了系统自然循环能力，对反应堆安全产生了负面影响。针对上述问题，以船用SG为研究对象，分别采用理论分析和计算流体动力学（CFD）数值模拟方法，通过修圆并联倒U型管束内管板开孔，研究了采用改进方案前后管板的流量分配和倒流特性。结果表明，通过修圆短管管板开孔，在自然循环工况下能有效降低SG流动阻力，增大短管的流量分配，从而降低倒流临界流量，延缓倒流现象的发生。研究结论为SG倒U型管束内倒流问题提供了一种可行的解决方案，可以为解决倒流问题研究提供支持。      

加热功率对低压低高差自然循环系统两相流动特性影响研究

对浮动式核电站中一类具有倾斜热管段的低压低高差自然循环系统的两相流动特性进行了实验研究,分析了加热功率对两相流动特性的影响。结果表明,不同功率条件下系统存在两相稳定冷凝和伴随蒸汽冷凝诱发水锤两相振荡2种流动模式,热管段内过冷水倒流和蒸汽与低温过冷水直接接触冷凝是导致2种流动模式的内在机制。此外,蒸汽冷凝诱发水锤的发生会产生较大压力脉冲,并导致过冷水倒流长度显著增加,进而加剧系统流动不稳定。进一步研究表明,加热段出口含气率可以作为流动不稳定判断依据。      

倒U型管蒸汽发生器自然循环回流特性研究

自然循环在核动力工业中有重要的应用。以AP1000自然循环压水反应堆一回路系统的蒸汽发生器为对象,建立自然循环系统蒸汽发生器倒U型管内单相水回流的数学模型,并进行了计算,得出了蒸汽发生器倒U型管内正流和回流流量、正流管管长和回流管管长分布等。研究结果表明,回流能大幅降低自然循环的重位压头、流量和放热量,不利于自然循环。     

自然循环条件下蒸汽发生器倒U型管流量分配特性研究

以欧洲压水堆热工实验装置（PWR PACTEL）一回路系统蒸汽发生器为研究对象,首先,基于流体一维流动模型的质量、动量和能量守恒方程建立管道进出口压降以及传热与流体流量之间的关系;其次,以遗传算法为基础开发倒U型管蒸汽发生器流量分配计算程序,采用基准实验对程序正确性和可靠性开展验证;最后,利用流量分配程序计算蒸汽发生器倒U型管管组的流量分布情况,研究管高、管长以及一/二次侧换热系数对蒸汽发生器内流量分配的影响。结果表明,所开发流量分配程序计算结果与实验吻合良好;在选定的自然循环工况下,该蒸汽发生器中长管更易发生倒流,且倒流现象呈现分布范围广、单管流量低的特点;倒U型管内正流流速与管长成反比,与管高成正比,倒流流速随着管长的增加保持不变,与管高呈反比关系;传热系数较低时,总流量与传热系数成反比关系,当传热系数高于特定值后部分管内发生倒流,总流量骤降。      

Distribution of coolant flow rate in a steam generator in natural coolant circulation regimes

Conclusions The large hydraulic nonuniformity of steam generator pipes operating in parallel in the natural coolant circulation regime results in a lower efficiency of the heat-transfer surface during emergency cooldown of the reactor plant, and it limits the operational possibilities, specifically, for using this regime at partial power levels. It is obvious that circulation reversal in the pipes of steam generators in the natural circulation regime can have an unfavorable influence on individual structural elements of steam generators as a result of additional temperature stresses appearing in the metal. As one can see from Eq. (6), the conditions of the distribution of the coolant flow rate over pipes in a steam generator can be improved at the design stage. Specifically, they can be realized as an efficient ratio of the “macrogeometric” characteristics of the first loop ΔH and H_sgp as well as by the influence on the ratio of the hydraulic resistance of individual sections of the loop, which determine the numerical value of the parameter m. As m increases, other conditions remaining the same, the character of the distribution of the coolant flow rate in the pipes of a horizontal steam generator improves. Thus, designers of a nuclear power plant have ways to search for optimal solutions. It is obvious that the interrelations of the conditions of operation of a steam generator, examined above, and the natural circulation in the loop require that the distribution of the flow rate in a pipe bundle be taken into account in the physical simulation using special thermohydraulic stands. St. Petersburg State Technical University. Translated from Atomnaya énergiya, Vol. 83, No. 3, pp. 169–174, September, 1997.