摇摆附加力对循环流动影响的理论分析.doc

摇摆附加力对循环流动影响的理论分析宫厚军，杨星团，姜胜耀，刘志勇（清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室 北京 100084）摘要：以一体化全功率自然循环反应堆模拟实验回路为物理原型，建立了非惯性系下自然循环流动理论分析模型。通过对稳态、零加热摇摆以及满功率摇摆条件下的自然循环流动的计算，分析了附加惯性力对流体作用的机理。结果表明：（1）零加热条件下在外环回路和内环回路中引起了流动，但不能形成正确的自然循环，无法将堆芯热量带出；（2）满功率摇摆情况下，加热通道及换热器通道均发生波动，但总流量的波动很小；（3）零加热摇摆与满功率摇摆相比，后者的波动远小于前者；（4）流体波动周期与摇摆周期相同。关键词：摇摆，自然循环，一体化自然循环反应堆中图分类号：TL333 文献标识码：A1 引言清华大学研制的低温核供热堆采用一体化全功率自然循环压水方式运行，体现了“一体化”和“非能动”的设计思想，具有固有安全特性，在陆地条件下开展过大量的热工水力学研究。将其应用于海洋环境，会影响到热工水力学特性，造成自然循环反应堆的倾斜和摇摆运动，一方面使驱动头发生变化，影响系统的自然循环能力；另一方面，载热剂受到附加作用力产生附加运动，与系统本身的自然循环流动相叠加，从而形成复杂的运动形式。为此，清华大学核能与新能源技术研究院建立了海洋条件下一体化自然循环反应堆实验回路，为进一步研究海洋条件下的自然循环流动特性奠定了基础。本文主要从理论分析和数值模拟的角度分析摇摆条件对自然循环流动特性的影响机理。2 实验系统实验系统包括三个回路，分别由模拟自然循环反应堆的实验装置回路、二回路、和将热量散发给最终热阱的三回路组成。实验装置回路由包含加热段、以及上升段、分流段、主换热器、下降段、回流段、稳压装置等组成。加热段由三个对称布置加热通道组成，分别模拟不同位置的燃料组件，加热元件为模拟反应堆燃料元件的电加热棒束，通道外表面包裹隔热材料。主换热器与实际反应堆所用主换热器在类型、结构、换热管尺寸、换热管排列方式、换热器有效高度等方面完全相同，但换热管数量则按比例缩小。每个部件都与实际反应堆相对应，并根据相似准则与实际反应堆进行模拟。摇摆轴位置在实验装置几何中心以上约1.5m处。该装置与日本1，韩国2-3，哈尔滨工程大学4的实验装置在回路、运行参数、摇摆轴位置上均有较大区别。图1 海洋条件下自然循环实验装置示意图Fig.1 The sketch map of the experiment device for natural circulation under ocean condition流体在加热段中被加热，在由密度差产生的驱动力的作用下向上流动，流经上升段被分流到两个换热器进行冷却，再经过下降段、回流段回到加热段，从而组成一个循环回路。主换热器的二次侧的入口温度通过三回路调节，加热段入口温度通过主换热器冷却水流量加以调节，稳压装置维持系统压力保持不变，并保证系统内的单相流动状态。3 物理模型本文工作受国家自然科学基金项目（10872111）和国家杰出青年基金项目（50325620）资助建立非惯性直角坐标系，坐标原点设定在摇摆轴上，以摇摆轴为X轴，中心线为Z轴，水平线为Y轴，并规定坐标系正方向。坐标系随实验装置摇摆而运动，根据质点动力学和运动学原理5，在运动坐标系中质点相对运动的动力学方程中应包含惯性力项-a，它是相对于绝对坐标系的质点牵连加速度和质点科氏加速度之和的负值；质点牵连加速度就是运动坐标系中对应点相对于绝对坐标系的加速度；科氏加速度等于质点相对加速度和运动坐标系的旋转角速度的叉积，即：其中：是运动坐标系原点的相对于绝对坐标系移动速度；是运动坐标系相对于绝对坐标系的角速度；是运动坐标系相对于绝对坐标系的角加速度；是切向加速度；是法向加速度；是流体质点的相对速度；是科氏加速度。 单自由度摇摆条件为： (1) (2) (3)实验装置位于坐标系的OYZ面内，(0,y,z)处的流体质量力分解为： (4) (5) (6)建立数学模型后进行离散求解，该模型中较为全面的包括了运动坐标系下的各种作用因素，可用于计算摇摆条件下的自然循环流动。本文将通过理论手段讨论静止的陆地坐标系和运动的海洋坐标系下的自然循环流动。4 计算结果与分析分析表明：自然循环的流速受到摇摆引入的惯性力和热驱动力的影响1-8。摇摆引入的惯性力包括法向力、切向力和科氏力，科氏力与流体流动方向垂直。为了确定摇摆惯性力和驱动力的作用，模拟了多种实验工况，分别是1）零加热功率条件下的摇摆；2）不同加热功率水平下的直立稳态自然循环；3）相同加热功率水平，不同周期、幅度的摇摆实验。零加热功率条件下的摇摆和不同加热功率水平下的直立稳态自然循环是两个单因素工况，前者只有摇摆，后者只有加热，这两种情况的叠加就是既加热又摇摆的复合工况，这样设计的目的是便于分析和显示摇摆对自然循环的影响。4.1 零加热摇摆实验装置内流体维持常温常压，换热器没有热交换，在直立静止状态，经过1/4个周期加入摇摆。此工况流体只受到摇摆引入的惯性力的作用，不受热驱动力作用。图2给出了零加热条件下摇摆引起的加热段内流体运动的情况。从图2可知：1号加热通道和2号加热通道的流体由静止变为流动，流量发生明显的波动，波动周期与试验装置摇摆周期相同；两者的波动趋势相反，相位差180，波动幅度相等；两个通道的流量之和等于零；2号加热通道流体始终保持静止。图2周期8秒，幅度10无加热下三个加热通道内的流量Fig.2 The flow rate of three heating channels under rolling conditions with period 8, angle 10, and without heating图3给出了零加热条件下摇摆引起的换热器侧流道内流体运动的情况。从图3中可知：1号换热器与2号换热器的流量发生明显波动，波动情况与1、3号加热通道相似，不同的是波动幅度远远大于加热通道的流量波动，其原因是换热器离摇摆轴的距离更远。计算表明：上升段与2号加热通道内流量始终为零，即没有流体经过加热通道流向换热器。由此可知，1号和2号换热器通道内的流动来自外环回路，外环由1号和2号换热器、两个上分流段和两个下回流段组成回路，1号和3号加热通道内的流动来自自身组成的内环回路，而2号加热通道内没有流动。图3周期8秒，幅度10无加热下换热器及堆芯的流量Fig.3 The flow rate of reactor core and heat exchanger under rolling conditions with period 8, angle 10, and without heating4.2 零摇摆加热零摇摆加热就是不引入摇摆运动，但投入加热功率，达到稳定的自然循环流动。为了弄清热驱动力的作用，模拟了不同功率水平下的稳态自然循环。模拟工况为稳压器压力5MPa,加热通道入口温度为220，加热功率分别为满功率的25%、50%、75%和100%。图4 相同加热段入口温度，不同加热功率水平下的循环流量情况Fig.4 The change of natural circulation ability when heat with same entrance temperature and different heating power图5 相同加热段入口温度，不同加热功率水平下的加热通道出口温度变化情况Fig.5 The change of export temperature when heat with same entrance temperature and different heating power相同入口温度下，加热功率越大，加热通道进出口的温升越大，密度差越大，从而回路的自然循环驱动力越大。三个加热通道和2个换热器通道的流量均随加热功率的增加而增大，即：随自然循环驱动力的增加而增大。4.3 满功率摇摆通过数值模拟手段计算了系统压力为5MPa，加热通道入口温度为220，满功率水平下不同摇摆周期和摇摆幅度的自然循环流动。具体计算过程为：先计算稳态工况，在稳态计算的基础上，引入摇摆量，在一定时间周期内完全引入摇摆量，并得到在该种摇摆幅度和周期下的自然循环动态流动过程。图6-图7给出了幅度15，周期8S下三个加热通道、两个换热器通道内的流动情况。图6 周期8S，幅度15时三个加热通道内流量的变化图7 周期8S，幅度15时两个换热器及总流量的变化从图6可以看出3个加热通道流量发生近正弦波动，1号与3号加热通道与波动周期与摇摆周期相同，2号为半个摇摆周期。1号、3号加热通道的波动较大。2号加热通道在稳态值附近轻微波动，波动幅度不到5%。与图2相比，加热条件下1号和3号加热通道流量波动小于零功率加热的情况，加热条件下2号加热通道流体波动很小。 从图7可以看出，换热器的流量波动情况与1、3号加热通道的相似，但波动幅度更大。堆芯总流量在其稳态值附近基本不变。与图3相比，加热条件下的换热器流量波动将减小。 4.4 分析摇摆引入的附加作用力中主要是切向惯性力和法向惯性力，对于某个位置的流体微团而言，法向惯性力的方向始终与矢径的方向相同，它的作用等同于场力，是一个以摇摆轴为中心向四周辐射的力场，离摇摆轴越远，作用力越大。在没有密度差的情况下，法向作用力不会引起流体的流动，但会引起压力场分布的改变。切向惯性力是与矢径垂直的力，当流道与矢径方向不一致时，它能分解为与流体流道方向平行的力和与矢径方向平行的力，所以切向惯性力对压力场分布的改变是有贡献的，但在没有密度差的情况下，这个分力也不会引起流体的流动。但是，切向惯性力中与流道方向平行的分离对流道内流体的流动具有直接的作用。由于切向惯性力是交变的，因此，这种作用就是交变的加速或减速作用。当流道与矢径方向一致时，比如上升段和2号加热通道，切向惯性力与流道垂直，没有沿流道方向的分力。因此，在零加热摇摆情况下，切向惯性力与流道平行的分量引起了外环和内环回路内的流动。在有加热的情况下，由于存在密度分布，并且密度梯度和摇摆惯性力造成的有势场力的梯度并不一致，因此，加热情况下，摇摆引起的法向惯性力和切向惯性力对流体都会产生作用，再加上重力场的作用，从而造成较为复杂的运动形式。5 结论（1）零加热条件下在外环回路和内环回路中引起了流动，但不能形成正确的自然循环，无法将堆芯热量带出；（2）满功率摇摆情况下，加热通道及换热器通道均发生波动，但总流量的波动很小；（3）零加热摇摆与满功率摇摆相比，后者的波动远小于前者。（4）流体波动周期与摇摆周期相同。参考文献1 Murata H., Iyori I., Kobayashi M., Natural circulation characteristics of a marine reactor in rolling motionZ, Nuclear Engineering and Design, 1990, 118:141-1542 Iyori I., Aya I., Murata H., Kobayashi M., Nariai H., Natural circulation of integrated-type marine reactor at inclined attitudeZ, Nuclear Engineering and Design,1987,99:423-4303 Hiroyuki 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circulation is analyzed. Software is programmed to investigate the behaviors in cases of rolling without heating power, static state with different power and rolling wit