反應(yīng)堆熱工第三章-1

1、2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1 反應(yīng)堆熱工水力學(xué) 王建軍 wang- 045182569655 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2 反應(yīng)堆內(nèi)熱量的輸出過程 一、堆內(nèi)導(dǎo)熱過程一、堆內(nèi)導(dǎo)熱過程 有有內(nèi)熱源圓柱型元件內(nèi)熱源圓柱型元件 有內(nèi)熱源板狀元件有內(nèi)熱源板狀元件 無無內(nèi)熱源圓筒壁內(nèi)熱源圓筒壁 無內(nèi)熱源板狀元件無內(nèi)熱源板狀元件 二、堆內(nèi)對(duì)流換熱二、堆內(nèi)對(duì)流換熱 強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3 二、堆內(nèi)對(duì)流換熱二、堆內(nèi)對(duì)流換熱 自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱 沸騰換熱沸騰換熱 三、堆內(nèi)輸熱過程三、堆內(nèi)輸熱過程 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院4 一、堆內(nèi)導(dǎo)熱過程（1） 1

2、）導(dǎo)熱微分方程的導(dǎo)出（略）導(dǎo)熱微分方程的導(dǎo)出（略） 2 tk t cc 2 0( k t cc 泊松方程） 2 0( k t c 拉普拉斯方程） 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5 一、堆內(nèi)導(dǎo)熱過程（2） 2）具有內(nèi)熱源導(dǎo)熱問題（圓柱型燃料棒）具有內(nèi)熱源導(dǎo)熱問題（圓柱型燃料棒） 2 0( k t cc 泊松方程） 兩種求解方法，注意邊界條件 2 0t k 2 2 t1 0 ddt drr drk 燃料元件內(nèi)溫度分布 2 0 4 v u q ttr k 燃料芯塊內(nèi)外表面溫差 2 0 4 v uu u q ttr k 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院6 一、堆內(nèi)導(dǎo)熱過程（3） 燃料芯塊能量守恒

3、關(guān)系燃料芯塊能量守恒關(guān)系 v Qq dV QqdF l Qq dl 2 vu Qqr dl 2 u Qqr dl l Qq dl 2 2 luvu qr qqr 燃料元件又如何表示？ 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院7 一、堆內(nèi)導(dǎo)熱過程（4） 均勻內(nèi)熱源平板形燃料元件均勻內(nèi)熱源平板形燃料元件 2 0t k 積分兩次，邊界條件 2 0 2 v u q ttx k 2 0 2 v uu u q tt k vu qdAqdA 對(duì)平板形元件 vu qq 2 0 22 vu uu uu qq tt kk 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院8 一、堆內(nèi)導(dǎo)熱過程（5） 3）無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題）無內(nèi)熱源穩(wěn)

4、態(tài)導(dǎo)熱問題 2 0( k t c 拉普拉斯方程） ( c dt kq dx 傅里葉定律） 對(duì)平板形包殼 u c q ttx K ucsc c q tt K 對(duì)圓筒壁包殼 ( c dt k FQ dr 傅里葉定律） ln 2 u u c rQ tt K Lr ln 2 u ucs ccs rQ tt K Lr ln 2 lcx ucs cu qd tt Kd 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院9 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（1） 牛頓加熱或冷卻公式 f QhF 沿燃料元件徑向方向 ( )( )( )( ) f Q zh z dF zz ( )( )( ) csf Q zh zd dzz 對(duì)圓柱形燃料

5、元件 ( )( )( )( ) ( )( ) lcsfcsf q zh zdzh ztztz 溫差=？ 對(duì)流換熱系數(shù)？ 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院10 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（2） 1、強(qiáng)迫對(duì)流換熱、強(qiáng)迫對(duì)流換熱 影響因素：工質(zhì)性質(zhì)、流動(dòng)性質(zhì)以及管道結(jié)構(gòu)影響因素：工質(zhì)性質(zhì)、流動(dòng)性質(zhì)以及管道結(jié)構(gòu) 計(jì)算管內(nèi)對(duì)流放熱系數(shù)的主要方法計(jì)算管內(nèi)對(duì)流放熱系數(shù)的主要方法 Dittus-Boelter方法方法 Sieder-Tate方法方法 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院11 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（3） D-B公式公式 0.80.4 0.023RePrNu L Nu k 適用條件 1 1、流態(tài)限制

6、、流態(tài)限制 2 2、物性限制、物性限制 3 3、流體被加熱、流體被加熱 4 4、較低溫壓、較低溫壓 5 5、無須考慮入口效應(yīng)、無須考慮入口效應(yīng) Sieder-Tate公式公式 0.140.14 w w f f 3 3 1 1 0.80.8 ) ) ( (PrPr0.027Re0.027ReNuNu 1 1、ReRe要求：要求：10104 4 2 2、物性限制：、物性限制：Pr=0.7Pr=0.7 3 3、定性溫度、定性溫度 4 4、無須考慮入口效應(yīng)、無須考慮入口效應(yīng) 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院12 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（4） 棒束流道內(nèi)對(duì)流換熱（水縱向流過平行棒束）棒束流道內(nèi)對(duì)流換熱

7、（水縱向流過平行棒束） 0.81/3 RePrNuC 0.0420.024 P C d 威斯曼方法 其中常數(shù)C與柵格結(jié)構(gòu)有關(guān) 0.0260.006 P C d 正方形柵格：1.1P/d1.3 三角形柵格：1.1P/d1.5 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院13 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（5） 棒束流道內(nèi)對(duì)流換熱（水縱向流過平行棒束）棒束流道內(nèi)對(duì)流換熱（水縱向流過平行棒束） 0.81/3 RePrNuC 0.03330.0127 w wf A C AA 無限柵格方法 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院14 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（6） 2、自然對(duì)流換熱、自然對(duì)流換熱 自然對(duì)流自然對(duì)流：由于流體內(nèi)

8、部：由于流體內(nèi)部密度梯度密度梯度引起流體的引起流體的 流動(dòng)流動(dòng) 自然循環(huán)自然循環(huán)：閉合回路內(nèi)由于流體密度沿空間分：閉合回路內(nèi)由于流體密度沿空間分 布形成的驅(qū)動(dòng)壓頭驅(qū)動(dòng)所實(shí)現(xiàn)的流動(dòng)布形成的驅(qū)動(dòng)壓頭驅(qū)動(dòng)所實(shí)現(xiàn)的流動(dòng) 通常情況下，通常情況下，引起自然對(duì)流或形成自然對(duì)流的引起自然對(duì)流或形成自然對(duì)流的 原因在于原因在于流體溫度流體溫度沿空間上沿空間上不均勻不均勻 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院15 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（7） 影響對(duì)流換熱的特性的因素：影響對(duì)流換熱的特性的因素： (Re,Pr)NufGr 2 1 Re Gr (Re,Pr)Nuf 2 1 Re Gr (,Pr)Nuf Gr 2 1

9、Re Gr 3 2 gtl Gr 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院16 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（7） 自然對(duì)流放熱系數(shù)計(jì)算方法自然對(duì)流放熱系數(shù)計(jì)算方法 基于實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式基于實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 豎壁定熱流-霍爾曼方法 34 * 22 xxx gtx hxg qx GrGr Nu kk 5*11 1010 x Gr *1/5 0.60(Pr) xx NuGr 13*16 2 1010 x Gr *1/4 0.17(Pr) xx NuGr 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院17 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（8） 豎壁定熱流-米海耶夫方法 39 , 10Pr10 () x fff GrRa

10、 0.250.25 , Pr 0.60(Pr)() Pr f x fx w NuGr 10 , 6 10Pr x ff Gr 1/30.25 , Pr 0.15(Pr)() Pr f x fx w NuGr 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院18 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（9） 橫管自然對(duì)流平均放熱系數(shù)橫管自然對(duì)流平均放熱系數(shù) 橫管自然對(duì)流-米海耶夫方法 8 Pr10 d f Gr 0.25 0.25 , Pr 0.50(Pr) Pr f d fdf w NuGr 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院19 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（9） 3、沸騰放熱、沸騰放熱 n現(xiàn)代壓水反應(yīng)堆現(xiàn)代壓水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)考慮

11、設(shè)計(jì)考慮 p平均通道平均通道 p熱通道熱通道 n在現(xiàn)代壓水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中允許在現(xiàn)代壓水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中允許堆內(nèi)堆內(nèi)出出 現(xiàn)現(xiàn)沸騰工況（飽和、欠熱）沸騰工況（飽和、欠熱） n沸騰工況的出現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆的影響沸騰工況的出現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆的影響 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院20 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（10） 沸騰型式沸騰型式 流動(dòng)沸騰流動(dòng)沸騰 大容積沸騰大容積沸騰 沸騰狀態(tài)沸騰狀態(tài) 飽和沸騰飽和沸騰 過冷沸騰過冷沸騰 高、低欠熱沸騰高、低欠熱沸騰 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院21 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（11） 沸騰曲線沸騰曲線 特征點(diǎn)：特征點(diǎn)： ONB FDB D（CHF） 2021-6-22核科學(xué)

12、與技術(shù)學(xué)院22 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（12） 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院23 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（13） nAB段段 p不沸騰區(qū)（單相區(qū)）不沸騰區(qū)（單相區(qū)） nBC段段 p核態(tài)沸騰區(qū)核態(tài)沸騰區(qū) nD點(diǎn)點(diǎn) pDNB點(diǎn)或第一類點(diǎn)或第一類CHF點(diǎn)點(diǎn) nDE段段 p過渡沸騰區(qū)過渡沸騰區(qū) nEF段段 p膜態(tài)沸騰區(qū)膜態(tài)沸騰區(qū) 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院24 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（14） 2、流動(dòng)沸騰、流動(dòng)沸騰 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院25 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（15） 泡核沸騰傳熱計(jì)算泡核沸騰傳熱計(jì)算 詹斯詹斯-羅特斯（羅特斯（Jens-Lottes）關(guān)系式）關(guān)系式 湯

13、姆（湯姆（Thom）關(guān)系）關(guān)系 卡特萊納卡特萊納-鮑尼拉（鮑尼拉（Castellana-Bonilla）關(guān)系式）關(guān)系式 60.25 6.2 25(/10 ) p cs TTqe 0.75 2.5() tp tt ) 69. 8 ( 5 . 0 0225. 0 p sw eqTT 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院26 我國(guó)和前蘇聯(lián)水力計(jì)算方法我國(guó)和前蘇聯(lián)水力計(jì)算方法 1.5 2 9 2 0.7 1 7.0 10 fh ch w r q 2 2 0.7 dxch 0.11 0.80.4 0.023RePr nb dx d 0.1420.7 4.3450.01375 ch ppq 2021-6-2

14、2核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院27 Chen方法方法 其中分別采用其中分別采用D-B，F(xiàn)oster-Zuber方法計(jì)算兩項(xiàng)方法計(jì)算兩項(xiàng) 換熱系數(shù)換熱系數(shù) tpNCBc hhh 0.8 Re Re tp f F 0.99 e s T S T 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院28 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（18） 沸騰通道中的沸騰通道中的ONB點(diǎn)（成核條件）點(diǎn)（成核條件） 力學(xué)條件力學(xué)條件 熱力學(xué)條件熱力學(xué)條件 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院29 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（19） 流動(dòng)沸騰發(fā)展流動(dòng)沸騰發(fā)展 液體溫度液體溫度 壁面溫度壁面溫度 流動(dòng)型式流動(dòng)型式 空泡份額空泡份額 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)

15、學(xué)院30 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（20） 沸騰過程中特征點(diǎn)的確定方法沸騰過程中特征點(diǎn)的確定方法 ONB點(diǎn) FDB點(diǎn) （或NVG點(diǎn)） 對(duì)應(yīng)于高欠熱沸騰對(duì)應(yīng)于低欠熱沸騰 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院31 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（21） ONB點(diǎn)確定辦法 泡化方程-（Bergles&Rohsenow Correlation） 0.0234 2.828 31.156 9 1.798 10() 5 p ONBWS qptt 傳熱方程 ONBwf qqh tt ,f ONBsJL q tt h 60.25 6.2 25(/10 ) p cs TTqe 詹斯-羅特斯（Jens-Lottes）關(guān)系式 2

16、021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院32 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（22） ONB點(diǎn)確定辦法 輸熱方程-圓形管道 , () hONBinpf ONBf in qP ZZGC A tt ,pf ONBf in ONBin h GC A tt ZZ qP 或者， ,pf ONBf in ONB h GC A tt Z qP 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院33 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（23） FDB點(diǎn)或者點(diǎn)或者NVG點(diǎn)確定點(diǎn)確定 Saha-Zuber方法 , () fsatf FDB qD Nu ktt , () pfsatf FDB q St GCtt pf f GDC Nu Pe kSt 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院34 二、堆內(nèi)的對(duì)流換熱過程（24） 沸騰臨界是指由于沸騰機(jī)理發(fā)生變化引起放 熱系數(shù)的陡降，導(dǎo)致受熱面的溫度急劇升高 的現(xiàn)象 剛剛達(dá)到沸騰臨界時(shí)的熱流密度稱為臨界熱 流密度或臨界熱負(fù)荷 DNB或DRYOUT型 2021-6-22核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院35 影響臨界熱負(fù)荷的因素 1）冷卻劑質(zhì)量流密度的影響）冷卻劑質(zhì)量流密度的影響 2）含氣率）含氣率x的影響的影響 3）冷卻劑壓力的影響）冷卻劑壓力的影響 4）入口欠熱度的影響）入口欠熱度的影響 5）通道入口段長(zhǎng)度）通道入口