（热能工程专业论文）密度锁内流体分层特性的实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文通过采用可视化实验观察与数据采集相结合的方法研究了密度锁 内流体的分层特性。结果表明：在密度锁内工质可以分为三个区域混 合层、过渡层、导热层。过渡层内存在较大的温度阶跃，温度阶跃的存在 对阻隔混合层内的扰动以及减少热量传递都有显著的作用。 通过对不同管径、不同管形的单管在不同扰动、不同温差条件下进行 实验，得出实验管段的管径、管形以及扰动对流体分层稳定性有显著影响。 管径越小，密度锁上方产生的惯性力越小，因此温度分界面也就越稳定。 同时，与圆管相比，方形实验管段在四个拐角的位置存在流动滞留区，阻 滞温度分界面的旋转，从而更有利于分界面的稳定。 在实验研究的基础上，通过合理的简化假设，利用等截面直肋模型来 计算密度锁内的稳态温度场及温度交界面位置。其计算值与实验值吻合地 较好，并证实了由于界面波的存在使得通过温度交界面向下水箱内所传递 的热量要比通过导热的方式所传递的热量还要少一些。 此外，我们在圆形实验管段的下半部安装一段挡板，使实验管的流通 面积减半，并对此实验管进行了实验研究。结果表明：实验管段上方产生 的湍流涡在有挡板的位置被阻隔成为较小的涡，从而导致实验管内不存在 挡板处的工质温度比存在挡板处的工质温度上升得快，以至于在该处产生 温差，最终在挡板末端处形成温度分层。从而初步证实了，蜂窝形结构密 度锁应该为通道数量自上而下依次增多的结构。 关键词：密度锁；非能动安全；流体分层；温度阶跃；温度交界面；蜂窝 结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h eb e h a v i o ro fi l u i d ss t r a t i f i c a t i o ni nd e n s i t y1 0 c ki s s t u d i e dt h r o u g ht h em e t h o dt oc o m b i n ev i s i b i l i t yo b s e r v a t i o nw i t hr e a l - t i m e d a t aa c q u i s i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew o r kf l u i di nd e n s i t yl o c ki sd i v i d e d i n t ot h r e ed i f f e r e n tp a r t s - - - m i x i n gl a y e r , t r a n s i t i o nl a y e ra n dc o n d u c tl a y e r t h e r ei s l a r g et e m p e r a t u r eg r a d i e n t i nt r a n s i t i o nl a y e r t h ee x i s t e n c eo f t e m p e r a t u r eg r a d i e n tp l a y si m p o r t a n tr o l ei ni m p e d i n gt h ed i s t u r b a n c ef r o m m i x i n gl a y e ra n dr e d u c et h et r a n s p o r to f h e a t o nt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n td i s t u r b a n c ea n dd i f f e r e n c eo ft e m p e r a t u r e ， t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ts t u d yo nt u b ew i t hd i f f e r e n td i a m e t e ra n dt u b es h a p e ， t h er e s u l tt h a tt h es t a b i l i t yo ff l u i d ss t r a t i f i c a t i o ni si n f l u e n c e db yt u b ed i a m e t e r , t u b es h a p ea n dd i s t u r b a n c ea r ec o n c l u d e d t h et u b ed i a m e t e ri ss m a l l ，a n dt h e i n e r t i a lf o r c ef r o mt h et o po fd e n s i t yl o c ki sa l s os m a l l ，s ot h es t a b i l i t yo f t e m p e r a t u r ei n t e r f a c ei ss t r o n g a tt h es a m et i m e ，c o m p a r i n gw i t hc i r c l et u b e ， t h e r ei sf l u i ds t a g n a n ta r e ai nt h ef o u rr i g h ta n g l eo fs q u a r et u b e t h ef l u i d s t a g n a n ta r e ac a np r e v e n tt h er o t a t i o no ft e m p e r a t u r ei n t e r f a c e t h e r e b yi ti s b e n e f i c i a lt os t a b i l i t yo f t e m p e r a t u r ei n t e r f a c e o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ls t u d y , t h ef i n n e d m o d e lo fc o m p u t i n g t e m p e r a t u r ef i e l di nd e n s i t yl o c ka n dt h el o c a t i o no ft e m p e r a t u r ei n t e r f a c ei s b u i l d t h r o u g h r e a s o n a b l e s i m p l i f i c a t i o n t h ec o m p u t a t i o n a l r e s u l ti s c o n s i s t e n c et ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h er e s u l ta p p r o v et h a tb e c a u s e t h e r ea r ei n t e r f a c ew a v e ，t h eh e a ti st r a n s p o r tt h r o u g ht e m p e r a t u r ei n t e r f a c ei s s m a l l e rt h a nt h a ti nt h ew a yo fc o n d u c t i na d d i t i o n , w ei n s t a l lab a f f l ei nl o w e rs e c t i o no f t u b e ，s ot h a tt h ef l o w i n g a r e ao ft h es e c t i o nb e c o m e sh a l f a n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h a tt u b ei sd o n e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 皿”r e s u l t ss h o wt h a tt u r b u l e n c ee d d yp r o d u c e do nt h et o po f t u b ei sb r o k ei n t o s m a l l e re d d yb yb a f f l e ，s oa st oi nt h ee x p e r i m e n t a lt u b et h et e m p e r a t u r eo f w o r kf l u i di nt h ep a r tw i t h o u tb a f f l ei n c r e a s ea tm o r eh i g h e rr a t et h a ni nt h e p a r tw i t hb a f f l e ，a n dt h ed i f f e r e n c eo f t e m p e r a t u r ei sf o r m e d f i n a l l y , t h es t a b l e f l u i ds t r a t i f i c a t i o ni sf o r m e da lt h et o po fb a m e a c c o r d i n gt ot h a t , w ec a n p r i m a r ya p p r o v et h a tt h ed e n s i t yl o c ks h o u l db eh o n e y c o m bs t r u c t u r ew i t h i n c r e a s i n gt h en u m b e ro f c h a n n e lf r o mt h et o pd o w n k e y w o r d s ：d e n s i t yl o c k ；p a s s i v es a f e t y ；f l u i d ss t r a t i f i c a t i o n ；t e m p e r a t u r e g r a d i e n t ；t e m p e r a t u r ei n t e r f a c e ；h o n e y c o m bs t r u c t u r e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：釜塑垒 日 期：如眸；月e 曰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 随着世界商品经济、工业生产、军事政治等方面的日益进步，核能也 已经渗透到军事、工业、航天等【l 2 】各个领域并且对人们生活质量的提高起 到举足轻重的作用，其中对核电方面应用尤为突出。根据中国“十一五核 电规划”，到2 0 2 0 年中国核电要占总电力的4 。这意味着未来1 5 年中国 要增加3 6 0 0 万千瓦核电的装机容量，新建3 0 座以上的核电站。因此未来 的几十年将是我国核电事业迈向新台阶的过渡阶段，也是核电事业大发展 能否成功的决定性阶段。但是，在大力发展核电事业的同时，核安全【3 】问 题也势在必行要提上日程。在设计和建设核电站的过程中，核反应堆的安 全问题一直以来都是人们关注的重要问题，更是让世界各国的专家学者潜 心钻研的难点问题。尤其是发生三哩岛和切尔诺贝利的两次重大的核事故 后，更使世界各国意识到核安全的重要性，并纷纷投入更多的人力、物力 进行核反应堆安全方面的研究。核反应堆安全总目标是：在核电厂里建立 并维持一套有效的防护措施，以保证工作人员、社会及环境免遭危害。为 了实现这一目标，提高核安全的可靠性，近年来国外在新型核电站设计中 采用了非能动安全和固有安全的概念川。所谓非能动安全( p a s s i v es a f e t y ) ， 就是不需要外动力，既不需要人员的干预，又无移动或转动的机械部件， 当核电站发生事故时仅仅依靠自然力，如流体的重力、自然循环等方式使 系统返回正常的运行状态或者使反应堆安全停堆。而所谓固有安全 ( i n h e r e n ts a f e t y ) ，顾名思义即反应堆运行过程中本身具有的安全。国际原 子能机构( i a e a ) i s 对固有安全作了如下定义：固有安全是指借助材料的选 择和设计概念以消除或排除固有危害而实现的安全性。可见，非能动安全 性或固有安全性高的反应堆发生事故时，仅仅依靠自然力或反应堆自身的 运行特性便能实现反应堆的停堆及余热排出，而减少了对操作人员及外部 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动力的依赖，这样的安全性是可靠的。因此，实现反应堆的非能动安全与 固有安全是研究反应堆安全的两个最高目标。在我国下一代反应堆的设计 中也要加强非能动安全和固有安全技术的研究。 为了实现反应堆非能动安全的目的，世界各国的研究小组已经提出了 许多非能动安全技术。如：瑞典a b b 原子公司的p i u s 核动力装置m ；日 本三菱公司的m s 6 0 0 核电站1 7 ；加拿大原子能公司的新型c a n d u 反应堆 等【8 】。这些反应堆都在不同程度上采用了非能动安全的概念。其中瑞典a b b 原子公司基于p i u s 反应堆提出的密度锁是一项最具有特色的非能动安全 技术，其设计方案如图1 1 所示【州。 1 稳压器蒸汽体积2 虹吸开关装置3 上密度锁 4 反应堆堆芯5 下密度锁6 反应堆水池7 反应堆上升段 图1 1p i u s 反应堆及系统布置 该反应堆所有主冷却剂系统设备都浸泡在一个大的低温高浓度含硼水 池中，反应堆冷却剂系统与含硼水池直接相通，密度锁就安装在冷却剂系 统与含硼水池之间的回路上，依靠上、下两个密度锁将高温的主冷却剂与 低温的含硼水隔开。在反应堆的运行过程中，密度锁的作用相当于一个“阀 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 门”而又不像普通阀门那样具有阀芯和瓣膜。反应堆正常运行时，密度锁 处于关闭状态，靠密度差将不同温度的两种流体隔开，使它们相互连通但 又阻止它们相互交混。当反应堆发生事故时，密度锁会自动开启，使事故 冷却水进入反应堆内，使反应堆停堆。密度锁从关闭状态到投入工作的过 程中不需要任何工作人员及外部动力的干预，仅仅依靠反应堆自身运行特 性来实现反应堆的安全停堆，因此是最可靠的安全保障。 在许多最新提出的非能安全技术中，由于密度锁是一项最具特色的技 术，因此国外在2 0 世纪8 0 年代就开展了密度锁的研究，以适应设计下一 代非能动安全反应堆的需要。根据国外的资料报道【1 l l ，国外在密度锁原理 方面的研究已经取得很大的进步。但国外对这项技术的各项参数还处于封 锁阶段，可查到的有价值的资料较少，也就是说，仅仅依靠现有的资料还 不能将密度锁技术应用于我国下一代核反应堆设计中。因此，要加强密度 锁机理方面的研究，使我们可以尽快掌握这项先进的非能动安全技术，为 我国能够自主设计和开发下一代先进核反应堆做好技术储备。 密度锁的研究涉及到复杂的冷热流体界面问的传热传质、界面波动 m 】等理论。其中冷热流体分层特性的研究一直都是比较重要的课题。比 如，在反应堆正常运行时，密度锁能否隔开主冷却剂与含硼水使其不相互 搅混与密度锁内是否存在稳定的冷热流体交界面是密不可分的。稳定的冷 热流体交界面在功能上就像阀门的阀芯和瓣膜一样，可以保证在反应堆运 行期间主冷却剂与高硼水不互相搅混，同时阻止主冷却剂向事故冷却水内 的热量损失，以及大水池中的硼渗透入主冷却剂内。相反，当稳定的冷热 流体交界面被破坏时，密度锁将被打开，开通事故冷却回路与主冷却回路 中间的通道。因此，研究密度锁内的分层流体特性，确定冷热流体交界面 稳定性及传热特性的影响因素及影响规律，可以为深入的研究密度锁提供 坚实的理论基础。另外，随着我国工业水平的不断进步，稳定的冷热流体 交界面之间交混问题也越来越多的渗透到许多相关领域q ，如地理、环 境和冶金等。因此研究密度锁内的分层机理及其冷热流体之间的传热特性 方面的努力，对反应堆安全及其它领域都起到举足轻重的作用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 密度锁的工作原理及结构设计要求 密度锁这一概念最早是由瑞典a b b 原子公司提出的呻。它的提出基于 p i u s ( p r o c e s si n h e r e n tu l t i m a t es a f e t y ) 反应堆。该反应堆被称为过程固有极 度安全反应堆。密度锁是p i u s 反应堆设计中实现其固有安全的一个重要部 件。在该反应堆的上、下两侧各装有一个密度锁。由于有了这两个常开的 密度锁的存在，使高浓度含硼水池与主冷却剂系统始终保持相连。因而从 结构上保证了一个常开的自然循环路径。可以保证反应堆在发生事故时及 时准确地使反应堆停堆。下面介绍一下密度锁的工作原理： 1 2 1 密度锁的工作原理 根据资料报道q ，p i u s 反应堆的运行原理可以由图1 2 中的四幅图 来解释： 1 图1 2 ( a ) 表示反应堆低功率自然循环的情况。该图说明了p i u s 反应堆的基本理念，使反应堆的堆芯始终位于大水池的底部，确保在任何 情况下，不发生堆芯过热，堆芯裂变产生的热量，可通过自然循环被带出。 2 图1 2 ( b ) 表示在图a 的基础上增加了一个强迫循环回路，使堆 芯产生的热量可以在一个循环系统内。 3 图1 2 ( c ) 表示反应堆正常的功率运行。通过蒸汽发生器将堆芯 产生的热量带出，此时在反应堆的上下安装密度锁，密度锁内形成稳定的 冷热流体交界面。通过调节主泵的流速，可以使交界面的位置保持在一定 的变化范围内。 4 图1 2 ( d ) 表示反应堆事故工况下的情况。当反应堆发生事故时 ( 如失水事故) ，堆芯温度上升，反应堆内压降变小。此时密度锁被打开， 自然循环回路连通，通过自然循环将堆芯的衰变热带出反应堆，防止堆芯 温度过高，烧毁堆芯。 如图1 2 ( c ) 所示，此时密度锁所起的作用是：反应堆启动时，借助 于密度锁把通过堆芯的含硼量低的主冷却剂与堆池中的高硼水分开；反应 堆运行期间，通过控制主冷却剂泵的转速，使上、下密度锁中出现稳定的 热、冷界面，并使交界面位置保持在密度锁内。从而使这条自然循环路线 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 保持非工作状态。此时根据压力平衡原理可知反应堆事故冷却水池内上、 下密度锁之间的静压降应该等于主回路内上、下密度锁之间的静压降与动 压降之和。 1 一堆芯2 一上密度锁3 一下密度锁4 一主循环回路 5 一主泵6 一稳压器7 一蒸汽发生器 图1 2p i u s 反应堆运行原理图 反应堆事故冷却水池内上、下密度锁之间的压降可以用锄来表示； 主回路内上下密度锁之间的总压降可以用舰来表示。 奶2 p c g h ( 卜1 ) 1 锄= 成劝+ 去伽2 ( 卜2 ) 二 式中：成事故冷却水的密度，k g m 3 ； 成一一主冷却剂的密度，k g m 3 p 反应堆上升段工质平均密度，k g m 3 ； 反应堆上升段的阻力系数； j ，上、下密度锁之间的高度差，m 。 根据锄= 锄可得， 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 一 ( 成一几) g h = 6 叫2 ( 卜3 ) 上 其所表达的含义是：反应堆上、下密度锁之间的冷热流体由于密度差所产 生的静压头应该等于反应堆堆芯以及上升段的动压降。 式( 1 3 ) 便是密度锁工作的基本原理：即冷热流体所提供静压头等于 主回路系统在上、下密度锁之间的动压降。反应堆正常运行期间，在密度 锁内形成稳定的冷、热流体交界面，根据压力平衡原理，当系统内的压降 满足式( 1 - 3 ) 时，上、下密度锁内冷热交界面两侧的压力平衡，此时，交 界面就好像阀门中的瓣膜一样，将冷热流体隔开，使之不相互搅混，事故 冷却水也不会注入到主回路系统中。随着反应堆运行功率的变化，主泵的 转速也发生变化，伴随而来的是冷热流体交界面的位置在密度锁内向上或 向下波动，而使系统内达到新的压力平衡。一旦发生恶性的瞬变或事故， 这种压力平衡就突然消失，从而使水池中的含硼水依靠自然循环穿过堆芯， 使反应堆停堆并不间断导出堆芯衰变余热，保证堆芯不被破坏。 1 2 2 密度锁的结构 据国外相关资料报道 1 9 1 ，密度锁由许多轴线平行的两端敞口的小通道 组成。这些小通道的横截面呈蜂窝状。根据密度波的扩散以及界面交混机 理【2 0 】，这种蜂窝结构的小通道能够减小界面波的传递距离，增强界面的稳 定性，从而降低界面波破碎的几率，减少由于波动而引起的界面处的质量 传递，减少界面交混。根据g e b a r t 等人【2 l 】的研究，将冷热流体交界面保持 在蜂窝结构里可以使交界面处质量传递速率减小至少三个数量级。并且为 了防止分界面之间的密度波发生共振而导致密度波振幅的增大，密度波的 振动频率应在小通道的轴线方向发生变化，这可以通过改变通道直径来实 现，即在小通道的轴线方向，小通道的直径通常要有一定的变化。这些蜂 窝状结构的蜂窝大小和高度与回路系统的运行特性有关，一般来讲，当密 度锁两端的压力差、密度差以及外部扰动较大时，就需要蜂窝较小、高度 尺寸较大。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 3 密度锁的设计要求 鉴于密度锁在反应堆正常工况以及事故工况下所起的作用，在密度锁 的设计过程中要满足如下几点要求： 1 反应堆正常运行期间，一个关键问题是要保证冷热流体交界面的稳 定性。使得在压差波动、流速改变等瞬态工况下，通过冷热流体交界面的 传热传质仍足够小，以至于不会影响反应堆的运行稳定性。g e b a r t 等人1 2 1 已经提出通过使用蜂窝结构的密度锁，减小密度锁通道的直径可以减少交 界面处的工质问发生混合。 2 反应堆发生事故时，其自然循环回路的驱动压头是主冷却剂回路与 事故冷却回路的静压差瞄】。由于p = a p g h ，因此静压头的大小要受到反应 堆高度以及冷热流体温度差的限制，这就要求当反应堆发生事故时，事故 冷却水要以尽可能低的压降通过蜂窝结构的密度锁。这也决定了密度锁不 可能采用过小直径的通道。 因此，在密度锁的设计中，要综合考虑以上两点因素的限制，通过实 验研究和理论分析找出最佳的密度锁通道结构。 1 3 密度锁的研究方法及发展现状 随着对反应堆固有安全性要求不断提高矧，密度锁的概念应运而生。 自瑞典a b b 原子公司提出密度锁这一概念后，国外的许多国家都开始研 究密度锁，并将其应用到下一代反应堆的概念设计中。如，流化床反应堆 、i r i s 反应堆1 2 5 、i s i s 反应堆i 矧。根据相关资料报道可知，密度锁的研 究大体可以分两个方面：即密度锁内部机理方面的研究和回路热工特性方 面的研究。 密度锁内部机理方面的研究所涉及的范围很广，主要是指密度锁内分 层流体交界面的稳定性；密度锁内工质及其温度分布特性；不同密度的流 体交界面处的传热传质特性，密度锁通道内的阻力特性等方面的研究。 密度锁回路热工特性方面的研究主要是针对装有密度锁的反应堆在各 种运行工况时，密度锁内冷热流体交界面的位置控制问题的研究。根据密 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度锁的工作原理可知，在反应堆正常运行时，冷热流体交界面两侧的压降 应该平衡。但是在反应堆启动或功率滑行等瞬态工况下会打破压降平衡， 使秀面产生波动。针对这一问题国外( 以日本为主) 的专家学者做了大量 研究并提出了许多反馈控制系统l n ，”捌，从而保证了当反应堆处在启动阶 段以及功率滑行等瞬态过程时，该反馈控制系统能够根据密度锁内输出的 信号，控制冷热流体交界面的位置，使它始终位于密度锁的几何中心处， 而不会引发误停堆现象。目前，日本所研究的反馈控制系统按照所采用的 反馈信号的不同主要分以下两类： 1 将下密度锁内的中心温度作为反馈信号 文献 2 8 ，2 9 中指出，日本原子能研究所建立了一个常压下的p i u s 反应堆模型。用此模型来验证了反馈系统在瞬间和稳态工况下运行的稳定 性。他们所建立的反馈控制系统的原则是：保证密度锁的轴向中心位置处 的温度等于密度锁上下冷热流体的平均温度。满足这一原则冷热流体交界 面便基本位于密度锁的中心。具体方法是通过测量下密度锁中心位置的温 度r 与冷热流体的平均温度，矗做比较，利用a t = f 一作为反馈信号来控制 主泵的转速。当a t o 时，表明此时冷热流体交界面位置偏下，要通过减 小主泵的转速方法，使交界面上升；当a t ) 的热水，其中热水内加有 绿色的染料；而在号量筒内全部装入温度为，i 的冷水两个量筒内的最终 液位相等。 2 使两个量筒保持静止，分别向两个量筒内滴入黑色墨水，观察黑色 墨水在不同量筒内的运动变化情况，如图3 1 所示。 ( a )( b )( c ) 图3 1 量筒定性试验现象 图3 1 中，( 8 ) 图表示在号量筒内具有冷热流体分层的条件下向量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 筒内滴入黑色墨水的实验现象。在实验过程中可以观察到，在滴入墨水的 瞬间，在上方高温工质的作用下，墨水迅速散开，并向下运动，当到达温 度交界面时，大量的墨水如同遇到一面墙的阻挡，开始向上翻滚，而无法 穿透温度交界面，只有少量墨水由于重力的作用穿过温度交界面。穿过温 度交界面的墨水不会发生扩散，而是呈一根根的细丝状，细丝的下端积聚 着一个小墨滴，墨滴紧紧地围成一团而不发生扩散，在量筒的下方仍为清 澈的冷水，墨水没有传到下方，如图所示。( b ) 图和( c ) 图分别表示号 量筒内在滴入墨水的初始时刻和一分钟后的墨水运动变化的实验现象。可 以观察到，在同种性质的流体中，墨水在自身重力的作用下呈大的流体团 状向下传递，并且很快便到达了量筒的底端，由( c ) 图可以看到，号量 筒内的黑色墨水在一分钟内已经下降到量筒的底部。通过此实验现象可以 说明在冷热流体的分层之间存在着一个阻力，此阻力对不同性质的分层流 体之间的传质具有很大的抑制作用。 因此，只要稳定的冷热流体交界面存在于密度锁内，将能起到隔离主 冷却剂与含硼水的作用。本章将从实验方面来具体介绍密度锁冷热流体分 界面的存在及变化情况。 3 1 2 实验现象 按照实验方案二的步骤，先将上部水箱内的工质加热，当工质的温度 参数满足实验的要求时，将上部水箱中加入有颜色的介质，从而可以清晰 地观察到实验过程中不同颜色工质交界面的变化情况。根据循环回路流量 大小的不同，温度交界面的变化情况大致可以分成三个典型的阶段： 1 循环回路流量为o m 3 h 。在此阶段，由于不存在外界扰动，在浮力 的作用下，高温工质稳定地位于低温工质之上，两种不同温度的流体之间 在交界面处的作用很不显著。在实验管段的入口附近能够观察到两种不同 颜色工质的分界面，如图3 2 ( a ) 所示，交界面的界限非常清晰，并且边 缘过渡很光滑，整个分界面位于同一水平面上； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a )( b )( c ) 图3 2 不同颜色流体交界面变化 2 循环回路流量在o m 3 1 1 到临界值之间变化。当循环回路内的流量突 然增加到某一值的瞬间，实验管段上方所提供的水平剪切力作用增大，使 得实验管段的上端出现大小不一的湍流涡，此时，通过在实验管段内加入 黑色墨水可以看到，湍流涡一边剧烈旋转一边向下运动，当湍流涡达到温 度交界面时，湍流涡又像小球一样被弹回来，同时将界面处的流体卷起一 部分，并开始向上翻滚，由于湍流涡与温度交界面的“碰撞”作用，使温 度交界面发生波动，从而在实验管段内观察到不同颜色流体分界面发生波 动，如图3 2 ( b ) 所示。由于此波动发生在不同温度的两种流体的交界面 处，在流体力学中i 蜘，将此波动称为界面波。 同时，由于波动所引起的热量传输加剧，温度交界面下方的工质温度 迅速升高，因此温度分界面又在整体向下运动；随着扰动的不断增大，流 体分界面在竖直方向的位置相对也就越靠下。同时，交界面的剧烈波动使 界面处的传热速率大幅度增加，因此交界面处的温度会迅速上升，且上升 过程中伴有很大的温度波动。图3 3 给出了与该工况对应的温度波动曲线， 可以看出温度迅速上升，且波动剧烈。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 温度波动曲线图 3 循环回路流量大于临界值。当循环回路的流量增加到某一值以后， 将会发现再增大流量，其产生的扰动对温度交界面的作用已经非常小，温 度交界面处不再有剧烈波动，交界面的位置也不再发生变化。这一过渡值 被称为临界值。 3 2 密度锁内工质温度的瞬态特性 密度锁内工质温度的瞬态特性是指循环回路流量突然改变的瞬间，实 验管内工质温度的瞬态变化情况。根据循环回路流量大小的不同，其内温 度的瞬态特性可以分为两种不同的情况。 3 2 1 循环回路流量小于临界流量 图3 4 中的三幅图分别给出了不同管径、管形在流量突然改变的瞬间 工质温度的瞬态变化曲线。其中乃一乃分别表示3 群、4 拌、5 群、8 群、1 0 # 热 电偶所测温度，死表示高温工质的温度，其对应工况如图所示。 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 5 0 4 5 4 0 p 杂3 5 瘸 3 0 2 5 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 0 2 0 04 0 06 0 00 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 时间s ( a ) t h = 4 7 5 c d = 5 0 m mq = o 4 8 m 3 h _ 一 之一 t 5 o1 0 02 0 0 3 加篙0 间h 5 6 0 0 7 0 0 8 0 0 ( b ) t h - - 4 8 5 c d = 3 5 m m q = o 4 8 m 3 h p 毯赠 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。 l 一 三幺幺誓蚺趔 ” l ， 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 1 6 0 01 8 0 0 时问a ( c ) t h ：3 s 5 方管边长- 2 0 m mq = i 3 6 m 3 h 图3 4 小于临界流量时瞬态温度变化曲线 从图3 4 温度变化曲线可以看出，当实验管内工质温度稳定后1 0 0 秒 左右，再将循环回路的流量迅速由0 m 3 h 增加到某一流量时，靠近实验管 段上方的热电偶所测温度迅速升高，表明在增加扰动的瞬间温度交界面位 置迅速下降，从而使靠近温度界面的热电偶的温度迅速升高。热电偶温度 月 随时间的变化速率竺 逐渐降低。明显可以看出，对于圆管来说，与小管 讲 径的实验管段相比，大管径的实验管段内工质温度上升速率比较快且在温 度上升过程中温度波动较剧烈。从而其温度上升曲线也不如小管径的温度 变化曲线光滑。这也表明，大管径的实验管段温度界面的下降速率要大于 小管径实验管段内的温度界面下降速率。究其原因，大管径的实验管段内 部的工质界面波动的振幅较大，根据界面波破碎的传热机理，界面剧烈波 动将导致界面的破碎，使不同温度工质之间热量传递加剧，温度上升迅速。 而且界面波破碎将在界面附近形成两种不同温度工质的破碎过渡区，不同 温度工质在这一过渡区内剧烈作用，表现出其温度参数的剧烈波动。而小 管径的实验管段界面波动的振幅较小，其热量传递主要以导热为主，热量 柚嚣弘斟弛嚣拍斟笠加堪坫 p 斟嬲 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传递比较缓慢，温度界面下降较慢，从而使下层冷流体的温度上升比较平 稳，直到温度界面接近热电偶时才出现较小的波动。 对于方管来说，当循环回路流量在1 3 6 m 3 h 时的温度变化曲线与 d = 3 5 m m 的圆管在流量0 4 8 m 3 h 的条件下的温度变化曲线基本相同，温度上 升比较缓慢，且曲线比较光滑。这表明，方形管的抗扰动能力要比圆管的 抗扰动能力强。究其原因，在圆形管内，由于实验管上方的剪切力以及卷 吸力的作用，实验管段内温度界面处会出现上下波动，同时由于水平剪切 力的作用方向并不完全关于实验管的直径对称，从而使得温度界面在波动 的同时会沿着管壁发生逆时针方向旋转，此时圆形的管壁对旋转起到导流 作用，界面的旋转加大了界面波动的振幅。而方管内由于存在拐角，在拐 角处形成二次流，对界面的旋转起到阻止的作用，从而减小晃面波动的振 幅，减少了界面波破碎的几率，所以方形管内的界面稳定性较好。 3 2 2 循环回路流量大于临界流量 当循环回路流量在大于临界流量的范围内突然变化时，密度锁内的典 型温度变化曲线如图3 5 所示。 “3 6 3 2 p 3 0 嘉。2 8 篓 ： 芝凳 篝凳 2 4 0 2 0 4 06 08 0 1 0 01 2 0 4 0 1 ( s o 02 0 4 0 6 08 0 1 0 01 2 01 4 0 时间a ( a ) d = 3 5 m mt h _ 3 2 5 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 6 3 2 芝2 8 能2 0 喇2 4 2 2 2 0 3 4 3 2 2 8 倒2 0 赡2 4 2 2 02 04 06 06 01 0 01 2 01 4 01 6 01 2 0 0 流l 2 2 4 m j h 三三 02 04 06 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 8 01 8 02 0 0 时同a ( b ) d - - 2 5 n mt h - 3 2 5 图3 5 大于临界流量时瞬态温度变化曲线 其中图( a ) 分别给出循环回路流量突然增大到1 8 4 m 3 h 和2 2 m 3 h 的 瞬态工况下，m3 5 m m 的实验管段内热电偶所测温度的瞬态变化曲线比较 图；图( b ) 分别给出循环回路流量为1 8 8 m 3 h 和2 2 4 m 3 h 的瞬态，由2 5 m m 的实验管段内热电偶所测温度的瞬态变化曲线比较图。图中乃、乃、乃分 别代表1 1 衅、1 1 撑、1 2 # 热电偶所测的温度，因为卜1 0 # 热电偶均处于热混 合层内，因此它们所测的温度大致相等，都等于上水箱内工质的温度，为 了使图的表达简洁，这里用乃统一表示i - 1 0 # 热电偶的温度。 从图中可以看出在f 卸时刻，将循环回路的流量突然增大到1 8 m 3 h ， 由2 5 m m 的实验管段内的温度几乎不随时间变化，表明此时再增大循环回 路的流量对实验管段内的温度场不再有影响，在此工况下，循环回路的流 量已经大于临界流量。由3 5 m m 的实验管段内1 1 # 热电偶所测温度在4 0 秒 附近出现一个小的波动，温度升高到3 0 度左右达到稳定不再波动。 当循环回路的流量再增大到2 2 m 3 1 1 时，两个实验管段内的竖直方向 上的温度场随时间都不再有明显的变化，几乎没有温度波动。这是由于随 着扰动的不断增大，温度界面不断下降，这样湍动能到达界面所需要的耗 散能也就越大，当温度界面到达足够深的地方时，实验管段上方由于剪切 力产生的湍动能已经不足以使温度界面产生剧烈的波动而使温度界面下 哈尔滨工程大学硕士学位论文 降，此时温度界面便达到了最后的稳态。 3 3 高幅脉动与低幅脉动 通过可视化观察及对温度波动曲线的实时监测，发现在实验管段内冷 热流体交界面附近的工质温度会出现两种不稳定性：高幅脉动和低幅脉动。 3 3 1 高幅脉动 。 该现象出现在循环回路流量增大的瞬间。在突然增大的扰动作用下， 冷热工质交界面处存在的浮力与惯性力的平衡被打破，上方的高温工质在 更大的惯性力作用下，使得交界面附近的工质温度出现剧烈波动，如图3 6 所示的温度曲线上显示此波动的频率较高，并且波动的振幅较大，其温度 波动振幅达到7 - l o c 左右，因此将其定义为高幅脉动。出现高幅脉动的原 因如下：温度交界面处的稳定性与尉数有密切的关系。五f 数是用来衡量浮 力与惯性力的相对重要性的无量纲数，其表达式为： 尉：坐辈(3-1) p o u a p g h 为浮力，阻止冷热流体搅浑的惰性力；p u 2 为惯性力，加速冷热流体 搅混的动力。当两者作用平衡时，温度交界面保持稳定。此时，突然增加 循环回路流量，实验管上方的工质将获得更大的初始动量，从而打破了温 度交界面处惯性力与浮力的平衡状态。倒2 增大，高温工质在更大的惯性 力作用下，像一股热流射入下方的低温工质。随着射流深度的不断加深， 射入流体与周围环境流体的温度差不断增加，从而两者的密度差越大， a p g h 将增加，惯性力的相对重要性减少，直到到达最大射流深度，又在浮 力的作用下向回运动，一直达到新的平衡状态为止。在此过程中，冷热流 体之间在交界面存在剧烈的热量传递，同时交界面附近的工质温度出现剧 烈波动。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 高温工质温度 图3 6 高幅脉动温度曲线 ( d = 5 0 m mt h = 5 7 c 流量由0 m 到0 4 8 m 3 h 的瞬态) 图3 6 为发生高幅脉动处的热电偶所测得的瞬态温度变化曲线。高幅 脉动没有明显的周期性，伴随高幅脉动而来的是温度的阶跃及温度交界面 位置的下降。高幅脉动仅在循环回路流量小于临晃流量的工况下才会出现， 高幅脉动发生在热冷流体交界面的过渡区内，对于大管径的实验管段高幅 脉动现象比较明显。 3 3 2 低幅脉动 该现象出现在稳态工况下，属于动态不稳定性。当温度交界面处的惯 性力p 2 与浮力a o g h 作用达到动态平衡时，实验管段内的温度交界面处不 再出现像高幅脉动那样剧烈的温度波动，通过在热流体中加入有颜色的介 质，可以观察到实验管段内的冷热流体交界面仍然存在波浪状起伏，但其 波动振幅相当小，如图3 7 所示。由于在温度界面的波动作用下，从而位 于该处的热电偶所测得的温度也存在着周期性波动，其波动型式与正弦波 相似。且其温度波动振幅范围仅仅在1 - 3 ，因此将其称为低幅脉动。 图3 8 所示的便是由2 5 m m 的实验管段内5 # 热电偶测点所测到的低幅 脉动变化曲线，同时将其与位于热混合带内的4 # 热电偶测点所测得的温度 进行比较，乃、乃分别表示4 # 和5 # 热电偶所测温度。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 7 低幅脉动图 图3 8 低幅脉动温度曲线 ( d - - 2 5 m m , t h = 3 9 ，流量1 2 m 3 h 的稳态) 低幅脉动的产生机理：由图中可以看出，低幅脉动的曲线类似正弦曲 线，其波动机理与简谐运动类似，在来自实验管段上方的动量的作用下， 温度交界面向下运动，温度界面附近的热电偶所测的温度升高，动量作用 逐渐减弱，浮力作用逐渐加强，直到到达最大振幅后，温度界面又在浮力 的作用下向回运动，该热电偶所测的温度又降低，温度界面回到原位置。 这样反复作用，便形成了低幅脉动。由于低幅脉动的振幅和频率都比较小， 因此低幅脉动对实验管段内流体的温度没有很大的影响，此时热量以导热 方式为主。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 密度锁内瞬态温度场 密度锁内瞬态温度场是指在反应堆启动、停堆、功率升高或功率降低 等瞬态工况下，由于反应堆主冷却剂的流速变化，或主冷却剂的入口温度 变化而造成的密度锁通道内温度分布的瞬态变化以及交界面处温度剧烈波 动的温度场。在瞬态变化过程中，密度锁内温度场具有复杂性和多变性的 特点。这也必然导致在此过程中界面处传热传质的复杂性。因此，瞬态温 度场的研究对传热机理的分析有重要意义。 图3 9 给出在循环回路流量变化的瞬态，整个实验管段内竖直方向上 温度场随时间的变化曲线。其所对应的参数为：实验管段内径5 0 m m 、上 水箱内工质温度5 5 、循环回路流量由o m 3 h 变化到0 4 8 m 3 9 n 。 图3 9 瞬态温度场 从图中可以看出随着时间的增长，实验管段上方熟混合层逐渐加深， 即在实验管段上方与上水箱内温度相等的工质所占实验管段内的比例越 大。在流量变化后的2 0 分钟内热混合层已经下降到2 1 0 r a m 附近，随着混 合层的不断加深，过渡层和导热层也在不断的向下运动，只要导热层保持 在密度锁内，就能达到较好的隔离冷热流体的效果，3 0 分钟后实验管段内 蛳 蛳 狮 抛 御 埘 。 ，拦螺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的温度场基本达到稳定。 3 5 密度锁内稳态温度场 密度锁内稳态温度场是指反应堆在稳态运行时，反应堆的运行功率不 变的工况下，主冷却剂的入口温度以及主冷却剂的流速等参数保持恒定， 密度锁通道内工质的温度分布。一个反应堆在其服役期间，大多数时间是 在稳态工况下运行的，因此，研究密度锁内稳态温度场以及正常工况下密 度锁内部热冷流体的分布情况，进而掌握冷热流体之间的传热机理具有更 重要的意义。 在实验过程中，当循环回路的流量在某一值达到稳定后，在实验管段 内，从高温工质向低温工质传递的热量与实验管段内通过管壁向外散热的 热量损失达到平衡时，实验段内工质的温度不再随时间而改变，这时，便 可以认为实验管段内竖直方向的温度场达到稳态。图3 1 0 表示了某一工况 下实验段内的稳态温度场。根据图中所示的竖直方向的温度分布特点，实 验管段内的工质自上到下大致可以分成三个区域，并将其分别称作混合层、 过渡层、导热层。 1 混合层：位于实验管段上方的工质由于受到扰动的作用，其内流体 之间相互作用的长度尺度和时间尺度远大于分子热运动的流体微团的作 用，从而形成一些大小不等的湍流涡，由于湍流是流体微团的不规则运动， 或者说是巨大分子群的平均不规则运动，所以湍流运动产生的质量和能量 的输运将远远大于分子热运动产生的的宏观输运。在这些湍流涡的作用下， 流体层与层之间的相互作用剧烈，导致热量的传递加剧。因此在整个区域 内工质的温度基本相等( 图3 1 0 ) 。 2 过渡层：该区域内工质的一个显著特点就是其具有较大的温度梯 度，该层厚度大约在2 0 m m - - 3 0 m m 之间，在该层内，高温工质温度迅速 下降，形成温度的阶跃。过渡层就如同阀门中的瓣膜一样将高温工质与低 温工质在空间上隔开( 图3 1 0 ) 。 3 导热层：该区域内流体层与层之间的相互作用很不显著，传热方式 以导热为主，温度梯度很小。且该区域内温度在实验过程中基