核反应堆稳态工况的水力计算

4.1稳态工况下水力计算的任务4.2流体力学的一些基本知识4.3单相冷却剂的流动压降计算4.4汽水两相流动及其压降计算4.5流量计算4.6流量分配4.7通道断裂时的临界流4.8流动不稳定性,第四章核反应堆稳态工况的水力计算,2,4.5流量计算,一、封闭回路中的流动压降二、强制循环流量三、自然循环流量,3,一、封闭回路中的流动压降,计算反应堆回路的总压降通常采取的步骤是，首先根据流体在回路中的受热情况（加热、冷却、等温）把回路划分成若干段，算出每一段内的各种压降之和，然后再把各段的压降相加，即得到整个回路的总压降。假设把回路划分成i段，则总压降的数学表达式可以写成,4,对于闭合回路来说，系统中所产生的加速压降之和为零。即=0。这上式就变成,一、封闭回路中的流动压降,5,二、强制循环流量,为了使流体在回路中稳定地流动，必须有克服摩擦压降和形阻压降的推动力。如果这种推动力由泵或鼓风机提供，这样的流动称为强制循环流动。设泵所提供的驱动压头(若转换为水柱的高度则称为泵的扬程)为pp，整个回路的总压降为pt，则在强制循环流动中有：pp=pt,6,泵的选择与回路压降,7,三、自然循环流量,概念：若回路中流体的循环流动是依靠回路中流体本身的密度差所产生的驱动压头作为推动力，这样的流动称为自然循环流动。,8,三、自然循环流量,显然，在自然循环情况下，pp=pt=0，于是有：若用pd表示驱动压头，用pup和pdo分别表示上升段内和下降段内的压降损失之和，则通常把克服了上升段压力损失之后的剩余驱动压头称为有效压头pe，这样就有pe=pd-pup这样就得自然循环基本方程式pe=pdo,9,假定释热功率不变，则流量增大，导致出口温度下降，出口冷却剂的密度上升，驱动压头下降，而阻力压降随着流量上升而增大。,确定自然循环流量的方法是：驱动压头等于阻力压头,10,一般来说，设计自然循环反应维装置时，应首先根据设计的要求选择活性区的平均温度，而后通过装置的结构设计、装置的布置以及采用一些其他的技术措施，使流量满足安全准则的要求。对强制循环反应堆，也需要确定它的自然循环的能力。当压水堆发生断电事故时，主循环泵停止运转。即使已快速停堆，但由于还有剩余中子功率和衰变热，燃料元件会继续释出热量。若反应堆具有较大的自然循环能力，就可以把堆内的热量导出，防止事故发生。因此，主冷却剂系统的自然循环能力是评价反应堆安全性的一项指标。对于核动力船来说，具有较大的自然循环能力更为重要，它表明在主循环泵停止运转的工况下船具有低速航行的能力。据报道，美国的三叉戟核潜艇用的就是自然循环冷却的压水堆。,11,自然循环流量的确定,一般说来，自然循环水力计算的目的是在给定的反应堆热功率和堆芯结构条件下，求解自然循环流量W。至于求得W能否满足反应堆热工设计准则的要求。只有通过传热计算才能确定。如果不满足热工设计准则的要求，必须调整热工参数(例如温度)，修改堆芯结构或装置的布置，再一次计算自然循环流量，进行传热计算验证。这样反复多次，直至所算得的自然循环流量对于给定的热功率能满足热工设计准则为止。,12,4.6流量分配,一、概述二、并联闭式通道的流量分配计算,13,4.6流量分配,概述：进行反应堆热工设计之前，必须预先知道堆芯热源的空间分布和在各个冷却剂通道内的冷却剂流量。有了这两个数据，才能根据所选定的堆芯结构、燃料组件的几何尺寸、材料的热物性等，通过传热计算，确定整个堆芯的焓场、温场。,14,并联闭式通道的概念,在一个流动系统中，若各支通道具有共同的出入口，这样的构成称为并联通道。轻水堆堆芯是由大量平行的冷却剂通道组成的并联通道，反应堆内的上、下腔室就是这些平行通道的共同出入口。若各通道间的流体没有质量、动量和热量的迁移，则此类通道称为闭式通道。反之则称为开式通道。,15,堆芯冷却剂流量不均匀分配,引起不均匀分配的原因：1、各通道的入口压力不同因为许多动力堆的冷却剂进口管嘴位于压力容器上部，当冷却剂沿着堆芯吊篮和容器壁的环形空间向下流入反应堆的下腔室时，流动情况很复杂，不可避免地会形成局部涡流区，从而使各并联通道入口处的静压不同。2、各通道截面的几何形状、大小可能不同例如，在同一燃料组件中，位于边、角处的冷却剂通道和位于中心处或控制棒导向管邻近处的冷却剂通道的流通截面的形状、大小是不同的。即使截面形状和名义尺寸应该相同，但由于燃料元件和组件的制造、装配过程中的误差，实际的冷却刑通道截面的形状、大小也会有差别。3、各燃料组件或同一燃料组件中各燃料元件的释热率不同，从而使各通道中冷却剂温度、密度也各不相同。所以进入各通道的流量也不相同。,16,在确定并联通道的流量分配时，需要知道以下的一些边界条件：,并联闭式通道的流量分配计算,1.上腔室的压力分布，即各个并联通道的出口压力，对压水堆，目前设计中一般假设上腔室的压力是均匀的：p21=p22=p2i=p2n,17,2.下腔室的压力分布，即各并联通道入口处的压力p11，p12，p1ip1n。一般入口压力分布是通过水力模拟实验测得，或根据经验数据给出，作为设计的已知条件。,18,3各通道沿轴向的温度、含汽量的分布。若通道壁是绝热的，只需给出流体入口温度，如通道壁是加热或冷却的，则需要根据热平衡方程用叠代方法求得。,19,质量守恒方程：,动量守恒方程：,能量守恒方程：,流量分配计算方程,20,若要提高计算精确度，需要把整个通道沿铀向分成若干个距离足够小的步长。从通道入口开始，先假定一组满足质量守恒方程的流量分配数据，然后应用动量守恒方程、能量守恒方程以及已知的各通道进口压力、进口焓，计算冷却剂通过第1个步长的出口压力和出口焓。在计算第一步长的压降时所用的冷却剂的热物性，按堆芯入口温度确定。接着把第一步长的出口压力、出口始作为第二步长的入口参数，计算第二步长的出口压力、出口治，在计算第二步长压降时所用的冷却剂热物性可按第一步长的出口温度确定这样沿通道轴向逐个步长计算下去直到通道出口。若计算所得的各通道出口压力不符合给定边界条件（即各个压力相等），必须重新修改所假定的通道入口流量分配数据，按上述介绍的方法再进行迭代计算，直至各通道出口压力满足所给定的边界条件为止。这时所得的各通道流量和冷却剂沿轴向的焓分布即为所求。,21,4.7通道断裂时的临界流,在上流条件不变的情况下，当流体自系统中流出的速率不再受下流压力下降的影响时，这种流动就称为临界流或阻塞流。此时对应的质量流量和流速分别称为临界流量和临界流速。在临界流动工况下，流道的某个位置上的流体平均流速等于声速，因此压力波不可能再向上流传播。,22,如果上游压力P0保持不变，并假定流体的温度和比容都是定值。当外部背压Pb下降到低于容器流体压力时(曲线1），流体便从通道内流出，并在通道内自p0至通道出口压力Pex之间建立一个压力梯度，这时Pex等于Pb。当Pb进一步降低时，Pex也随之下降，并等于变化后的Pb，出口流速进一步增大（曲线2）；这个关系一直保持到某一个值，在该Pb值下通道出口处流速等于该处温度和压力下的声速时为止（曲线3）；此后，Pb进一步降低，出口截面处流速不会再增大，Pex不会再降低（曲线4，5），这时的流动加临界流。,临界流模型,23,临界流模型,临界流速为该温度和压力下的声速。,24,研究临界流的重要性,临界流对反应堆冷却剂丧失事故的安全考虑非常重要，因为破口处的临界流量决定了冷却剂丧失的速度和一回路泄压的速度。它的大小不仅直接影响到堆芯的冷却能力，而且还决定各种安全和应急系统开始工作的时间。在发生这类事故时，如果不能及时地对堆芯提供有效的冷却，即使反应堆能够及时停闭，也不能完全排除发生事故的可能性，这是由于传热恶化，裂变产物释放的衰变热也会把燃料元件烧毁；在水冷堆内，炽热的锆包壳还会与蒸汽发生化学反应，从而放出大量的热量，这样衰变热与化学热加在一起还有可能使堆芯熔化。因此，研究临界流，计算临界流量，对确定事故的危害程度以及设计有效的事故冷却系统，都是十分重要的。,25,对于单相流，确定发生临界流的两个等价条件是：1）流速等于截面压力和温度下的声速,2）截面上游流动不受下游压力的影响。在压水堆中，由于系统压力很高，过冷水的临界流速高达10001500m/s，一般破口处流速很少达到这个值。一般来说，当一回路通道发生断裂是，破口处由于高压水迅速泄压而急剧蒸发，在流速还未达到单相液体中的声速之前，通道内就已变成两相流了。这也是为什么一般不研究单相液的临界流的原因。,单相临界流,26,27,分析临界流的基本方法是等熵流动的能量守恒方程。,对于理想气体，k=Cp/Cv，有：,空气k=1.4b=0.528过热蒸汽k=1.3b=0.546干饱和蒸汽k=1.135b=0.577,28,研究两相临界流的困难在于：两相间存在质量、动量和能量的交换，含汽量也会不断变化，继而出现不同的流型。研究方法：借助于各种简化后的模型，由于不同的模型有不同的适用条件，因此通常把两相临界流分为：长通道中的临界流（L/D12）短通道中的临界流（0L/D12）,模型假设：,30,福斯克（Fauske）模型：从动量方程出发，临界流量为：,注意：物性数据都是按由实验数据提供的临界压力进行计算的。,31,临界压力比随长度直径比变化的实验数据,32,莫迪（Moody）模型：从能量方程出发特点：不需知道破口处的压力和含汽量，只需知道上游的滞止压力和滞止焓。,33,对于L/D12通道当做短通道，例如孔板、接管等都属于短通道。短通道中，热平衡不能达到。因为缺少能生成气泡的核心，表面张力又阻碍气泡的生成，而且还因为传热上的困难，突然汽化就会推迟发生，从而造成液体的过热，这种现象叫做亚稳态。,短通道中的临界流（0L/D12）,34,流体流过孔板时，在孔道内停留的时间极短，突然汽化发生在孔道的外面，因此孔道内不存在两相临界压力，质量流速可以用不可压缩的孔板方程计算得到：,流过孔板的临界流（L/D=0）,35,流过短通道的临界流（0L/D3）,对于0L/D3的情况下，会形成一个表面上发生汽化的亚稳态液芯阻塞射流。对于3L/D12的短通道，要借助于实验数据。,36,流动不稳定性,一、概念二、危害三、流动不稳定性的分类,37,流动不稳定性的概念,在被加热液体发生相变的两相流动中，不均匀的体积变化可能导致流动不稳定性。流动不稳定这个名称的含义是指在一个热力流体动力学耦合的两相系统中，流体受到某一微小扰动后会引起质量流量、压降和空泡份额以某一频率的常振幅或变振幅的振荡。这种现象与机械系统中的振动很相似。,38,流动不稳定性的危害,1连续不断的流动振荡会引起设备产生有害的机械振动(甚至会引起共振)，导致设备的疲劳破坏。2流动振荡会扰动控制系统，尤其是对以水作冷却剂兼退化剂的反应堆重要。3流动振荡会使设备的局部热应力产生周期性变化，导致热疲劳破坏。4流动振荡会影响局部传热性能，使临界热流量大幅度下降。实验表明，由于流动振荡，可使临界热流密度降低40。此外，在发生流动振荡之后，往往迫使设备的运行参数低于设计指标。从而降低装置的经济性。因此，不允许发生流动不稳定现象是水冷堆的设计准则之一。,39,流动不稳定性的主要类型,1、水动力不稳定性2、并联通道的管间脉动3、流型不稳定性4、动力学不稳定性5、热振荡,40,水动力不稳定性,单相水，流量下降，压降下降。另一方面，流量下降，出口含汽量增大，压降反而随流量下降而增大。,41,42,合理选择系统的运行区段；合理设计流动系统的参数，改变水动力特性曲线；提高系统的运行压力，减小两相之间的比容差；选择合适的入口过冷度。,如何消除水动力不稳定性？,43,本章小结,本章主要讲述了稳态工况下的水力计算。在本章，重点和难点是各种压降的计算，我们又分为单相流和两相流来分别介绍。回路的压降包括：提升压降；加速压降；摩擦压降；局部压降。在介绍两相流的压降计算之前，我们引入了两相流的几个基本概念：含汽量、空泡份额、滑速比。以及如何用这些量来处理均匀流模型。,44,在此基础上，我们分析了自然循环，自然循环流量的计算也是本章要求掌握的基本要求。另外，我们还对临街流和流动不稳定现象进行了介绍。本章基本概念比较多：提升压降、摩擦压降、摩擦系数、加速压降、局部压降、局部阻力系数、含汽量、空泡份额、滑速比、沸腾段长度、均匀流模型、分离流模型、自然循环、临界流、流动不稳定性、流动分区。,45,4-1:某一传热试验装置，包括一根由1.2m长内径是13mm的垂直圆管组成的试验段。水从试验段顶部流出，经过一个90度弯头后进入1.5m长的套管式热交换器，假设热交换器安装在水平管道的中间部分，水在管内流动，冷却水在管外逆向流动。热交换器的内管以及把试验段、热交换器、泵连接起来的管道均为内径为25mm的不锈钢管。回路高3m，总长18m，共有四个弯头。在试验段的进出口都假设有突然的面积变化。回路的运行压力是160巴，当260的水以5m/s的速度等温流过试验段时，求回路的摩擦压降。若试验段均匀加热，使试验段的出口温度变为300，回路的压降又是多少？假定这时热交换器内管的平均温度比管内水的平均温度低40。4-2:某沸水反应堆冷却剂通道，高1.8m，运行压力为48巴，进入通道的水的过冷度为13，离开通道时的含汽量为0.06，如果通道的加热方式是：1）均匀的和2）正弦的（坐标原点取在通道的进口处），试计算它的不饱和沸腾段高度和饱和沸腾段高度（忽略过冷沸腾段和外推长度）。,作业,46,4-3:设有一个以正弦方式加热的沸腾通道（坐标原点取在通道的进口处），长3.6