六边形排列的7棒束通道内液态钠流动换热特性试验研究

以液态钠作为试验工质,对六边形排列的7棒束通道内液态钠流动换热特性进行了试验研究。试验流速为0~4 m·s^-1,热流密度为0~120 kW·m^-2,系统压力为1.5~200 kPa,对应的雷诺数和佩克莱数分别为4 000~60 000和0~340。深入分析了部分热工参数对7棒束通道内液态钠流动换热特性的影响,通过对7棒束通道内液态钠流动换热的试验数据的非线性拟合,得到适用于7棒束通道内液态钠流动换热的经验关系式。结果表明：拟合得到的摩擦系数关系式和努塞尔数关系式能准确地预测7棒束通道内的试验数据,其预测误差分别小于5%和6%。将获得的努塞尔数关系式与其他研究者的试验数据进行比较,与其他研究者985%的试验数据误差在30%以内,表明获得的关系式适用于7棒束通道内液态钠流动换热。     

棒束通道内混合对流传热实验研究

以自然循环下堆芯内可能会发生的低流量传热为研究背景,对5×5棒束通道内的混合对流传热现象进行了实验研究。实验压力为6 MPa, 质量流量为25~150 kg/(m2·s),热流密度为25~300 kW/m2,实验雷诺数Re为1000~30000,浮升力参数Bo*为2×10-7~3×10-3。实验发现,随着Bo*的增大,棒束通道内传热产生先弱化后强化的趋势。浮升力对棒束通道内传热造成影响的起始点为Bo*=3.5×10-6,当Re >15000时,浮升力依然可对传热造成弱化现象。基于实验数据,提出了适用于棒束通道的混合对流经验关系式。      

环形通道内钠流动起始沸腾壁面过热度实验研究

对环形通道内金属钠起始沸腾壁面过热度进行实验研究。实验段长800 mm,环形通道外径10 mm,内径6 mm。电加热元件最高热流密度为846 kW/m²,进口过冷度为63.1～287.8 ℃,质量流量为7.2～122.0 kg/h,系统压力为0.85～28.79 kPa。实验结果表明,起始沸腾壁面过热度随热流密度和进口过冷度的增加而升高,随质量流量和系统压力的增加而降低。拟合得到了关于起始沸腾壁面过热度的半经验关系式,关系式计算结果与实验数据符合良好。     

棒束子通道CHF机理模型开发及初步验证

目前棒束通道中临界热流密度的预测多基于实验关系式,受限于特定的适用范围,无法有效外推或外推后预测精度下降。为满足不同轻水堆中临界热流密度的预测要求,有必要开发适用于不同几何尺寸及热工边界的宽范围临界热流密度预测方式。本文以子通道分析方法为基础,考虑偏离泡核沸腾和干涸两类临界现象,通过耦合子通道分析程序与临界热流密度机理模型,实现对棒束通道中临界热流密度的计算。通过与临界热流密度实验数据的对比,初步证明了耦合程序对棒束通道中临界热流密度具有较好的预测精度。     

人工神经网络在棒束临界热流密度预测中的应用

基于已有的棒束临界热流密度数据库，采用COBRA-Ⅳ程序计算得到子通道局部临界热流密度数据库。用人工神经网络（ANN）理论对数据库进行训练，得到基于ANN理论的棒束临界热流密度预测模型。预测模型的预测精度显著高于常用经验关系式的预测精度，其预测值的均方差为5.63%。     

含绕丝2×2棒束内超临界水传热试验研究

以超临界水冷堆燃料性能验证试验为背景,对带有螺旋绕丝的2×2棒束内超临界水的传热特性进行了试验研究。试验参数范围为：压力23～28 MPa,质量流速400～1 000 kg/(m²•s),壁面热流密度200～1 000 kW/m²。通过试验,获得了加热管周向壁温的分布规律,并分析了热流密度、质量流速、压力、螺旋绕丝对壁温和换热系数的影响。研究结果表明,加热管周向壁温呈现非均匀、非对称分布的特性,最高壁温出现在边角子通道或螺旋绕丝覆盖的位置。在拟临界区,换热系数随热流密度的升高或质量流速的降低而迅速减小,而随压力的变化较微弱。相对于光滑2×2棒束,螺旋绕丝不仅改变了周向壁温分布规律,同时也提高了平均换热系数。     

长棒束临界热流密度实验研究

提供了用组装式长棒束取得的95个临界热流密度实验数据,介绍了实验本体的结构特点及适应长棒束临界热流密度研究的实验方法和数据处理结果。实验是在高压热工回路上完成的。棒束为3×3正方形排列,水由下而上垂直流过棒束。组装成棒束的电加热实验元件的直径为9.5mm,棒中心距为12.6mm,轴向热流密度均匀分布,有效加热长度2200mm。实验参数范围是:压力p=14.4～15.7MPa,质量流速W_g=1204～3545kg/(m~2.s),临界点含汽量X_c=(-17.3～15.7)％。全部实验数据按截面平均法在VAX机上进行了综合处理,得到了适用于上述参数范围的临界热流密度经验关系式。公式计算值与实验数据比较的标准偏差为6.5％。     

测量和预测棒束CHF数据对比方法研究

通过采用子通道程序FLICA建模分析5×5棒束临界热流密度试验,并分别采用直接代入法(DSM)和能量平衡法(HBM)两种方法利用已有临界热流密度关系式获得计算的临界热流密度,并将计算的临界热流密度与试验获得的临界热流密度对比分析,探讨了棒束临界热流密度试验数据的处理方法。结果表明,在棒束临界热流密度试验数据与已有关系式计算数据的对比中,HBM是一种更合理的方法。     

整体加热球床通道内流动过冷沸腾起始点的实验研究

以新概念球床水冷反应堆为背景,对含内热源球床通道中流动过冷沸腾起始(ONB)点的相关特性进行实验研究。选用直径8 mm的表面氧化碳钢球形成随机堆积床,利用电磁感应技术对球床整体加热,研究孔隙质量流速G、工质入口温度Tin和轴向测量位置对ONB点热流密度qONB的影响。实验结果表明,当热流密度q增加到一定值时,壁温Tw随热流密度q的变化曲线会出现拐点,此拐点即为含内热源球床通道内流动ONB点;qONB随G的增加而增大,随Tin的升高而减小;越靠近球床通道出口,qONB越小。导出了计算含内热源球床通道内qONB的无量纲准则关系式,预测值与实验值的偏差在±20%的范围内。     

2×2稠密棒束内超临界水的传热特性试验研究

在压力p=23～28 MPa、质量流速G=350～1 000 kg/(m²•s)、热流密度q=200～1000 kW/m²的试验参数范围内,对2×2棒束内超临界水的传热特性进行了试验研究。试验得到了加热管周向壁温分布规律,并就出现周向温度差异的原因进行了分析。此外,给出了压力、质量流速及热流密度等系统参数对平均传热特性的影响,分析了低质量流速下出现的传热恶化现象。试验结果表明：加热管周向壁温并不均匀,边角子通道壁温最高,中心子通道壁温最低,周向壁温的高低与横截面流通面积的不均匀性紧密相关。随着热流密度的提高或质量流速的降低,超临界水的传热受到抑制,当q/G增大到一定程度时,棒束内发生传热恶化。     

Experimental Study of Liquid Sodium Flow and Heat Transfer Characteristics Along Hexagonal 7-rod Bundle Channel

The flow and heat transfer characteristics of single-phase liquid sodium were experimentally investigated in a hexagonal 7-rod bundle channel with the velocity of 0-4 m/s, the heat flux of 0-120 kW/m² and the absolute pressure of 1.5-200 kPa. The corresponding Reynolds number ranges from 4 000 to 60 000, and the Peclet number varies from 0 to 340. The influence of some thermal parameters on the heat transfer characteristics of liquid sodium flow in a hexagonal 7-rod bundle channel was analyzed in depth. Empirical correlations of liquid sodium flow and heat transfer in a hexagonal 7-rod bundle channel were obtained by nonlinear regression analysis for experimental data. The results show that these correlations can accurately predict the friction coefficient and Nu in a hexagonal 7-rod bundle channel. The prediction error for flow and heat transfer is less than 5% and 6%, respectively. The new equation was compared with other results, and the error is within 30%. It is shown that the new empirical correlation is suitable for the flow heat transfer of liquid sodium in a hexagonal 7-rod bundle channel.     

含内热源多孔介质通道内流动沸腾两相压降的预测

为预测含内热源多孔介质通道内流动沸腾的两相阻力压降,以Ergun方程为基础,定义了多孔介质通道的Chisholm参数Y和全液相折算因子Φ_l0。通过理论分析和实验数据测量,明确了出口质量含气率x_e、质量流速G和小球直径d等对参数Y和Φ_l0的影响,并提出1个Lockhart-Martinelli（L-M）类型的两相阻力压降关系式。与文献中的其他公式相比,本工作提出的公式对实验结果能做出更好的预测。     

棒束通道中格架对传热影响的实验研究

针对格架下游传热问题,开展了格架对5×5棒束通道中传热影响的实验研究,实验Re约为1000～30000,浮升力参数Bo*为2×10^-7～3×10^-3。观察实验结果发现,格架下游传热与浮升力参数存在较强关联,当浮升力参数较大时,格架下游传热较复杂,且不同于人们以往对格架下游传热的认识。通过对实验数据分析,提出了新的预测格架下游传热的经验关系式,此关系式考虑了浮升力对格架下游传热的影响,且能较好地对格架下游传热进行预测。     

Prediction of Transient Boiling Transition in BWR Fuel Rod Bundles by Subchannel Analysis Program MENUETT

Transient CHF (critical heat flux) tests of a 4 X 4 rod bundle were analyzed by the subchannel analysis program MENUETT. MENUETT is based on a non-equilibrium, five equation, two-phase flow model and is available both for steady state and transient analyses. Turbulent mixing and void drift effects are taken into account to calculate cross flows in fuel rod bundles. The tendency of calculated subchannel mass fluxes and qualities agreed with experimental data. By using a critical quality correlation obtained from steady state CHF data, the position of the earliest boiling transition could be predicted regardless of non-uniform axial heat flux distributions. This transition occurrence time was predicted within a difference of 0.1～0.3 s from the experimental time. MENUETT applicability was confirmed for transient calculations predicting thermalhydraulic behavior in bundles.     

非能动余热排出换热器池沸腾换热性能研究

以浸没在高位水箱中的竖直管束为研究对象,对不同热负荷条件下竖直管束的池沸腾换热特性进行研究,通过对比中心管与周围旁管外壁面过热度、凝液量的变化,分析了中心管与旁管换热特性的差异。实验结果表明,换热管束的换热能力明显优于单管,在相同热流密度条件下,管束沸腾换热系数可达到单管的1.2～1.5倍。与旁管相比,低热负荷条件下,中心管的换热能力优于旁管;高热负荷条件下,中心管的换热能力则不及旁管,在热流密度大于200 kW/m²时,旁管的沸腾换热系数相对于中心管提高了近7%,且从实验数据的变化趋势来看,旁管较中心管的沸腾换热能力有随热流密度增加而逐渐增大的趋势。     

Experimental investigation on heat transfer from a heated rod with a helically wrapped wire inside a square vertical channel to water at supercritical pressures

A supercritical water heat transfer test section has been built at Xi’an Jiaotong University to study the heat transfer from a 10 mm rod inside a square vertical channel with a wire-wrapped helically around it as a spacer. The test section is 1.5 m long and the wire pitch 200 mm. Experimental conditions included pressures of 23–25 MPa, mass fluxes of 500–1200 kg/m² s, heat fluxes of 200–800 kW/m², and inlet temperatures of 300–400 °C. Wall temperatures were measured with thermocouples at various positions near the rod surface. The experimental Nusselt numbers were compared with those calculated by empirical correlations for smooth tubes. The Jackson correlation showed better agreement with the test data compared with the Dittus-Boelter correlation but overpredicted the Nusselt numbers almost within the whole range of experimental conditions. Both correlations cannot predict the heat transfer accurately when deterioration occurred at low mass flux and relatively high heat flux in the pseudocritical region. Comparison of experimental data at two different supercritical pressures showed that the heat transfer was more enhanced at the lower supercritical pressure but the deterioration was more likely to occur at the higher pressure, meaning increased safety. Based on a comparison with an identical channel without the helical wrapped wire, it was found that the wire spacer does not enhance the heat transfer significantly under normal heat transfer conditions, but it contributes to the improvement of the heat transfer in the pseudocritical region and to a downstream shift of the onset of the deterioration. The Jackson buoyancy criterion is found to be valid and works well in predicting the onset of heat transfer deterioration occurring in the experiments without wire.     

垂直管内超临界水传热实验研究

在宽广的实验范围内对直径10 mm垂直管内超临界水在不同工况下的传热特性进行了实验研究,分析了热流密度、质量流速及压力变化对内壁面温度及传热系数的影响规律。实验参数为：压力23、25、26 MPa,质量流速450~1 200 kg/（m²•s）,热流密度200~1 200 kW/m²。实验结果表明：随主流温度的升高,壁面温度逐渐上升,在拟临界点附近由于物性剧变存在传热强化现象;热流密度的增加以及质量流速的减小均会削弱传热强化现象,并导致传热恶化;压力的影响主要体现在传热恶化、强化的起始热流密度和起始主流温度的不同。