摇摆条件下自然循环驱动力和阻力特性研究.pdf

第卷增刊原子能科学技术 ，年月 摇摆条件下自然循环驱动力和阻力特性研究白清城，谢添舟，徐建军，唐瑜，陈鑫，张婷（中国核动力研究设计院 中核核反应堆热工水力技术重点实验室，四川 成都 ）摘要：本文以典型自然循环回路为对象，建立了摇摆条件下自然循环工况驱动力和阻力模型，与实验数据对比符合很好。利用模型分析发现，摇摆条件下自然循环驱动力和系统流量周期性波动，随着摇摆幅度增大和周期缩短，驱动力和流量的波动幅度增大。驱动力为重位驱动力、向心驱动力及切向驱动力之和，现有工况范围内，向心驱动力可忽略不计，总驱动力受重位驱动力和切向驱动力的耦合作用影响。摇摆条件下自然循环系统两相流动总压降及各分压降周期性波动，系统位差及通道内平均密度的变化引起了两相重位压降、加速压降、摩擦压降发生周期性波动。关键词：摇摆条件；自然循环；驱动力；阻力中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：中核集团“青年英才”项目；国家自然科学基金（）通信作者：谢添舟：，（，）：，：；自然循环是指利用热源与冷源之间的高度差和工质密度差产生的驱动力，实现工质循环流动的运行状态。自然循环特性研究是海上动力装置发展的重要方向研究之一。自然循环工况本身具有驱动压头低、流动自反馈等特点，堆芯热工水力特性易于受到外力场干扰。摇摆条件会改变自然循环工况冷却剂加速度场和冷、热源之间的高度差，可能使得自然循环驱动力及阻力改变，从而导致流量脉动，进而引起冷却剂通道热工参数的变化，这种变化又使得驱动力和阻力动态反馈调整，最终实现新的平衡流动状态，因此，自然循环工况下自然循环系统驱动力、阻力与冷却剂通道热工水力参数之间存在复杂的耦合反馈调整过程，系统研究摇摆条件下自然循环系统与通道动态自反馈过程中驱动力和阻力特性，对于深入揭示摇摆条件对自然循环工况下热工水力特性影响机理有重要意义。以此为背景，本文研究典型摇摆条件下自然循环系统与通道动态自反馈过程中驱动力和阻力特性，探明摇摆条件的影响机理。摇摆条件下自然循环工况驱动力和阻力模型构建及验证如图所示，摇摆运动对自然循环系统的影响有两方面，一是摇摆运动导致竖直管段位图摇摆条件下自然循环回路示意图 原子能科学技术第 卷差发生瞬时变化，同时原来水平布置的管段对自然循环驱动力也有了贡献；二是摇摆会使流体产生各向加速度，从而引入切向力、向心力及科氏力，此时环路上驱动力为：（）（）（）（）为摇摆运动引入的附加体积力加速度，有：（）（）、和分别为摇摆运动引入的向心加速度、切向加速度和科氏加速度，表达式如下：（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为摇摆角速度；（）为摇摆角加速度；为当地流体速度；为初始摇摆角。由于科氏力垂直于流动方向，其对驱动流体流动不产生贡献，因此可忽略。则流体所受摇摆运动引入的附加体积力加速度为：（）（）摇摆条件下自然循环驱动力计算）摇摆条件下单相自然循环驱动力计算将自然循环系统分为段，当系统为单相时，各段自然循环驱动力表达式列于表。表摇摆单相条件下回路各段驱动力表达式 序号第段表达式第段（冷段）（）（）第段（实验本体）（）（）（）（）第段（热段）（）（）（）第段（热段）（）（）第段（换热器）（）（）（）第段（冷段）（）（）第段（冷段）（）（）第段（冷段）（）（）（）令（）（），（）（），将上表中表达式求和，有：（）（）（）（）（）摇摆条件下两相自然循环驱动力计算当实验本体由单相加热到两相时，第段（实验本体）热段密度需根据出口空泡份额确定，两相条件下自然循环驱动力核心是确定第段实验本体中空泡份额分布以及实验本体出口空泡份额。典型矩形加热通道内流动沸腾过程如图所示，本体入口为单相，随着加热过程不断发展，通道内依次经历单相流、欠热沸腾及饱和沸腾。在单相区，通道内为单相，该段平均密度（）。图矩形通道内流动沸腾示意图 增刊白清城等：摇摆条件下自然循环驱动力和阻力特性研究在过冷沸腾和 饱和 沸 腾 区 域，采 用 等提出、郗昭等修正的、适用于自然循环条件下的全沸腾过程截面平均空泡份额计算模型，对通道内截面平均空泡份额分布进行计算，再计算平均密度（）。则整个自然循环回路驱动力为：（）（）（）（）第段（换热器）中由于存在两相到单相的转变，且摇摆条件下对自然循环驱动力有贡献，因此还需对该段空泡份额分布进行求解。对于图所示简单套管式换热器，长度为，入口为两相流，由于忽略散热，因此其空泡份额、密度与实验本体出口一致；经过距离的换热，流体中汽泡全部冷凝，之后为单相。换热器出口为单相水，其温度、密度同样和实验本体入口处一致。图套管式换热器内一次侧流动传热过程示意图 换热器内，自然循环驱动力为：，（）（）（）（）则摇摆条件两相自然循环工况下，环路自然循环驱动力如下：，（）（）（）（）（）（）（）（）摇摆条件下自然循环阻力特性计算方法）实验本体段阻力计算在矩形通道实验段内，单相自然循环阻力采用如下关系式计算。层流区摩擦阻力系数（）拟 合式为：（）过渡区摩擦阻力系数（）拟合式为：过渡 （）湍流区摩擦阻力系数（）的拟合关系式为：（）（）公式适用参数范围为：矩形通道当量直径 ，压力 ，质量流速 （），入口温度 ，数据均分布在 偏差范围内。两相自然循环阻力计算关系式采用 关系式，（分液相摩擦因子）（）。式中（：）为通道内摩擦压降（；）为分液相摩擦压降。假定通道内只有液相通过，则分液相摩擦压降为：（）（）（）（）假定通道内只有气相通过，则分气相摩擦压降为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）管道段阻力计算在管道段，单相时采用 公式，其表达式为：烅烄烆（）式中：为摩阻系数计算值；液相雷诺数。则相应的摩擦压降计算关系式为：原子能科学技术第 卷（）两相时同样采用 因子式对阻力进行计算。）弯管弯头等局部阻力计算回路中弯管等部件阻力采用下式计算：（）式中，为局部阻力系数。摇摆条件下驱动力和阻力计算模型验证由于摇摆条件下自然循环驱动力和阻力时空瞬变，难以准确验证，因此利用静止时实验数据对驱动力和阻力计算模型进行了验证，在单相及两相条件下与实验结果均符合较好。利用模型对静止条件下加热功率 、质量流速 （）、压力 、本体进出口温度分别为 和 的单相工况进行了核算，与实验结果对比列于表。从表可看出，计算压降与测量压降偏差绝大部分在 以内，表明本文提出的计算方法在矩形通道单相工况下与实验符合较好。利用模型对矩形通道静止条件下加热功率 、质量流速 （）、压力 、本体进出口温度分别为 和 的工况进行和核算，与实验结果对比列于表。从表可看出，整段内均是单相的下降段压差和水平段压差符合较好，在以内，而通道内存在两相段时偏差偏大，但大部分仍不超过。摇摆条件对自然循环驱动力和阻力特性的影响规律 摇摆条件对自然循环驱动力的影响规律以静 止 时 加 热 功 率 、质 量 流 速 （）、压力 、本体进出口温度分别为 和 的单相工况为基准，开展了摇摆运动下实验，并利用试验工况开展了计算，结果如图所示。从图可看出，驱动力和系统流量随着摇摆运动周期性波动，摇摆幅度增大和周期缩短，驱动力和流量的波动幅度增大。当摇摆角度负向最大时，驱动力和流量接近峰值。摇摆运动时，流体受加速度列于表，其中切向加速度的变化周期为，向心加速度和重力加速度的两个分量的变化周期为 ，科氏力由于和流体运动方向垂直，不驱动流体流动，因此计算中可以忽略。对上图中、，、，、对应的个典型摇摆运动工况各驱动力分量进行了计算，结果示于图。从图可看出，在现有工况范围内，向心力引起的向心驱动力可忽略不计，对于图 所示工况，当摇摆振幅为负相最大时，切向驱动力最大，此时总驱动力的波动主要由切向驱动力造成。随着摇摆周期的增大，切向加速度的影响逐渐减弱，当摇摆周期为 时，此时总驱动力的波动主要由重位驱动力的波动造成。摇摆条件对自然循环阻力特性的影响规律对系统压力 、质量流速 （）、测量段平均含汽率约为 的工况进行分析。摇摆周期、摇摆振幅 工况下两相流动总压降、摩擦压降、加速压降、重位压降随摇摆运动的变化趋势见图。从图可看出，当摇摆角度负向最大时，重位压降与摩擦压降接近最小值，而加速压降接近最大值。两相流动总压降随摇摆运动周期性波动，摩擦压降、加速压降、重位压降也呈现周期性波动，这是由于摇摆导致自然循环系统冷热源位差周期性改变，同时摇摆运动条件下流量会发生波动，导致空泡份额发生周期性变化，引起实验段内两相平均密度发生周期性变化，质量流量和平均密度二者的波动导致摩擦压降、加速压降和重位压降发生周期性波动。相同热工参数下摇摆周期对饱和沸腾两相流动阻力的影响如图所示。从图可看出，摇摆周期主要影响压降的波动周期，对压降的波动幅值影响较小。说明在饱和沸腾工况下，摇摆周期对两相流动阻力特性的影响较小。这主要是因为饱和沸腾条件下窄缝通道内气液两相受通道结构限制，受摇摆条件惯性力、浮力等的影响较小，从而原有相态空间分布变化较小，因此在相同热工参数条件和摇摆角度条件下，两相流动阻力和重位压降的变化不大。增刊白清城等：摇摆条件下自然循环驱动力和阻力特性研究原子能科学技术第 卷图摇摆运动对自然循环驱动力和系统流量的影响 表流体所受加速度表达式 加速度表达式向心加速度（）切向加速度重力加速度 结论本文采用实验和理论研究相结合的方法，研究了摇摆条件下自然循环系统与通道动态自反馈过程中驱动力和阻力特性，探明了摇摆运动对自然循环驱动力和阻力特性的影响规律，获得的主要结论如下。图摇摆运动对自然循环驱动力分量的影响 增刊白清城等：摇摆条件下自然循环驱动力和阻力特性研究图摇摆运动条件下各分压降变化 ）结合实验研究结果，构建了摇摆条件下自然循环系统与通道动态自反馈过程中驱动力和阻力特性计算模型，实验数据符合较好，单相段压降误差不超过，两相段大部分工况压降误差不超过。）摇摆条件下自然循环驱动力和系统流量周期性波动，随着摇摆幅度增大和周期缩短，驱动力和流量的波动幅度增大，总驱动力为重位驱动力及摇摆引入的向心驱动力与切向驱动力之和，现有工况范围内，向心驱动力可忽略不计，总驱动力受重位驱动力和切向驱动力的耦合作用影响。图摇摆条件下摇摆周期对两相流动阻力的影响 ）摇摆条件下自然循环系统两相流动总压降及各分压降周期性波动，系统位差及通道内平均密度的变化引起了两相重位压降、加速压降、摩擦压降发生周期性波动。参考文献：阎昌琪核反应堆工程哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，：，（）：王大中，马昌文，吴元强，等一体化自然循环低温供热核反应堆：中国，彭敏俊船舶核动力装置北京：原子能出版社，：张元培摇摆对自然循环窄矩形通道两相传热特性 的 影 响 哈 尔 滨：哈 尔 滨 工 程 大 学，杨珏，贾宝山，俞冀阳简谐海洋条件下堆芯冷却剂系统自然循环能力分析核科学与工程，（）：，（）：（）高璞珍，王兆祥，刘顺隆起伏对强制循环和自然循环的影响核科学与工程，（）：，（）：（）张金玲，郭玉君，秋穗正，等船用核动力装置自然循环载热能力的分析与计算西安交通大学学报，（）：，原子能科学技术第 卷 ，（）：（）苏光辉，张金玲，郭玉君，等海洋条件对船用核动力堆余热排出系统特性的影响原子能科学技术，（）：，（），（）：（）于雷，鄢邴火，陈玉清海基核动力装置自然循环数学模型的建立与运行特性研究原子能科学技术，（增刊）：，（）：（）谭思超，高文杰，高璞珍，等摇摆运动对自然循环流动不稳定性的影响核动力工程，（）：，（）：（）戴斌摇摆条件下自然循环特性研究哈尔滨：哈尔滨工程大学，（）：郗昭垂直上升管内自然循环过冷沸腾空泡份额分布特性研究成都：中国核动力研究设计院，（）：孔珑工程流体力学北京：中国电力出版社，：增刊白清城等：摇摆条件下自然循环驱动力和阻力特性研究