反應(yīng)堆工程 CPI Manuscript 2.ppt

1、第三章核反應(yīng)堆的水力計(jì)算、水力計(jì)算的任務(wù)以及反應(yīng)堆中的熱量釋放通常由流動(dòng)的冷卻劑來完成。堆芯的傳熱能力與冷卻劑的流動(dòng)特性密切相關(guān)。因此，在反應(yīng)器的熱分析中，不僅要了解反應(yīng)器中的熱源分布和傳熱特性，還要了解與反應(yīng)器中冷卻流動(dòng)劑有關(guān)的流體力學(xué)問題。水力分析的任務(wù)是：(1)計(jì)算冷卻劑的流動(dòng)壓降，以確定流量及其在堆芯各冷卻劑通道中的分布。合理的堆芯冷卻劑流量、一回路管道和部件的合理尺寸以及冷卻劑循環(huán)泵所需的功率。(2)確定自然循環(huán)的傳熱能力(3)尋求改善或消除流動(dòng)不穩(wěn)定性的方法。本章內(nèi)容，單相流體的流動(dòng)壓降，兩相流體的流動(dòng)壓降，臨界流動(dòng)不穩(wěn)定性的計(jì)算，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓降和流量，p=P1-p2=通道

2、1和2處Pelpa PF PCP1和p2流體的靜壓；Pel提升壓降；Pa加速壓降；Pf摩擦壓降；Pc形電阻壓降或局部壓降。3.1單相流體的流動(dòng)壓降和3.1.1提升壓降。流經(jīng)非水平通道的單相流體的提升壓降可由以下公式表示：其中，它是通道軸線與水平面之間的角度。綜合上述公式，我們可以得到：3.1.2加速壓降，這是由于流動(dòng)截面或流體密度的變化引起的流速的變化，從而使靜壓也發(fā)生變化。隨著流速的增加，靜壓降低。流速降低，靜壓增加。加速壓降可由以下公式表示，即v=G為恒定截面穩(wěn)態(tài)流中的常數(shù)，由上述公式得到的積分為：3.1.3沿程摩擦壓降，達(dá)西公式一般用于計(jì)算沿單相流的摩擦壓降，即摩擦壓降pf，pa；無因次

3、達(dá)西-維斯巴赫摩擦系數(shù)；l通道長(zhǎng)度，m；德水道當(dāng)量直徑，米；流體密度，kg/m3；流體速度，米/秒，等溫流動(dòng)的3.1.3.1摩擦系數(shù)，(1)圓形通道內(nèi)不同流型的摩擦系數(shù)計(jì)算公式不同，流型可由雷諾數(shù)Re來判斷。對(duì)于圓形或矩形通道，一般認(rèn)為是：Re 104:紊流區(qū)。紊流區(qū)：層流區(qū)：棒束工程應(yīng)用公式、f摩擦系數(shù)按圓形通道公式計(jì)算，a、b實(shí)驗(yàn)常數(shù)、對(duì)于正方形排列、(b)棒束通道，3.1.4局部壓降(形成阻力壓降)，一般只有提升壓降和沿途摩擦壓降可以通過實(shí)驗(yàn)確定。(a)橫截面突然膨脹，其中ke=1-(A1/A2)2是橫截面突然膨脹的形式阻力系數(shù)，由于A1和A2，上述公式的右側(cè)為負(fù)。即p1和p2?？梢钥闯?/p>

4、，當(dāng)面積突然擴(kuò)大時(shí)，流體將產(chǎn)生負(fù)壓降，即流體靜壓將上升。橫截面突然收縮，其中v2頸縮下游的流體速度是無量綱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取為0 . 40 . 5；kc截面形狀阻力系數(shù)突然降低。橫截面突然減小的壓降為：由于A2 A1，上述公式右側(cè)為正值。即p2 p1?？梢钥闯?，當(dāng)流體的橫截面突然收縮時(shí)，它將導(dǎo)致正壓降，即流體靜壓將降低。彎管、噴嘴和閥門。當(dāng)流體流經(jīng)通道中各種形狀的彎管、噴嘴和閥門時(shí)，也會(huì)造成壓力損失。由于局部壓降的流體力學(xué)性質(zhì)相同，形式阻力壓降通常用流體動(dòng)能的多次變化來表示，即kc形式阻力系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)量，其值可在相關(guān)手冊(cè)中找到。3.2兩相流體的流動(dòng)壓降，3.2.1兩相流動(dòng)基礎(chǔ)，反應(yīng)堆中的兩相

5、過程，當(dāng)沸水堆處于正常運(yùn)行時(shí)，堆芯中的冷卻劑是含蒸汽的；盡管壓水堆出口在正常運(yùn)行期間沒有蒸汽，但堆芯中最熱的通道允許飽和沸騰，其蒸汽含量可達(dá)8；特別是在發(fā)生事故的情況下，堆芯中的冷卻劑不僅可能含有蒸汽，還可能變成過熱蒸汽；嚴(yán)重事故；3.2.1.1兩相流的概念和參數(shù)，(一)兩相流道A代表流道的橫截面，其中氣相所占的流道橫截面為銀，液相為銀。這里有一個(gè)。質(zhì)量流率W和質(zhì)量流率G在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)任何部分的兩相混合物的質(zhì)量稱為兩相流體質(zhì)量流率W(千克/秒)。轉(zhuǎn)輪每單位橫截面的質(zhì)量流率稱為質(zhì)量流率或質(zhì)量流密度g kg/(m2s)，而(c)氣體(蒸汽)比蒸汽比是質(zhì)量蒸汽比的簡(jiǎn)稱，也稱為兩相混合物的質(zhì)量。它代

6、表氣相流量在氣液混合物總質(zhì)量流量中的份額x。從熱力學(xué)平衡與否的角度來看，熱力學(xué)平衡蒸汽含量(稱為平衡蒸汽含量)xe是分開的。在上式中，H是兩相混合物的焓，hf是液相的焓，hfg=hgs hfs是氣相和液相之間的飽和焓差，即汽化潛熱。平衡空隙率xe可以小于0，大于1或在0和1之間。它們分別對(duì)應(yīng)于欠熱、過熱和飽和?？障堵?橫截面蒸汽含量或體積蒸汽含量)空隙率是指在流動(dòng)系統(tǒng)中，氣相占據(jù)整個(gè)兩相混合物的相對(duì)體積，或者氣相的橫截面積銀占據(jù)通道的橫截面積?；坡试趦上嗔髦?，氣相的平均速度和液相的平均速度可能相等，也可能不相等。如果蒸汽的平均速度為vg，液體的平均速度為vf，則vg與vf之比定義為滑移率S，

7、即基于均勻流模型的兩相壓降的3.2.2.1計(jì)算，該模型將兩相流視為假想的單相流，其平均(等效)物理特性源自各相的物理特性。均勻流模型的基本假設(shè)是：氣液相速度相等(滑移率s=1)；兩相處于熱力學(xué)平衡。使用合理確定的單相摩擦系數(shù)。它特別適用于高流量和高壓。3.2.2兩相流的壓降計(jì)算，密度：粘度：如果通過麥克亞當(dāng)斯關(guān)系計(jì)算降低的粘度，則兩相摩擦壓降(梯度)寫成：其中-(dp/dz)f0代表當(dāng)所有兩相流G都被視為液體時(shí)計(jì)算的整個(gè)液相的摩擦壓降(梯度)。由此，我們可以看出計(jì)算兩相摩擦壓降(梯度)的一般思路，即兩相摩擦壓降、單相摩擦壓降、全液相兩相摩擦系數(shù)、兩相摩擦壓降(梯度)有四種不同的定義。Marti

8、nelli-Nelson給出了不同壓力下汽水兩相摩擦系數(shù)f02的值，見下表。同時(shí)，Martinelli-Nelson還給出了不同壓力下的-x和f02-x曲線，如下圖所示。(一)Martinelli-Nelson兩相摩擦壓降計(jì)算方法，兩相摩擦乘數(shù)值為汽水M-N模型，相同蒸汽含量下，壓力越大，空隙率越小。在相同壓力下，蒸汽含量越大，空隙率越大。壓力越大，倍數(shù)越??；當(dāng)蒸汽含量小于80%時(shí)，蒸汽含量越大，倍數(shù)越大。3.3臨界流量，定義：任何流量系統(tǒng)的排放速率取決于流體從出口(或缺口)的流出速率，即質(zhì)量流量。當(dāng)流體從系統(tǒng)中流出的速度不再受下游壓降的影響時(shí)，這種流動(dòng)稱為臨界流或阻塞流，對(duì)于單相流也稱為音速

9、流。臨界流量對(duì)LOCA有以下影響：破口處的臨界流量決定了冷卻劑損失率和系統(tǒng)壓力釋放率。泄壓率是過程的主導(dǎo)量，它決定了每個(gè)安全系統(tǒng)和緊急冷卻系統(tǒng)(高壓安全注射、安全注射箱和l井噴過程中形成的壓力波和破口處的噴射力將對(duì)回路、冷卻劑管道和安全殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部部件施加很大的力，這可能導(dǎo)致這些部件的結(jié)構(gòu)損壞。3.3.1臨界流的概念，如果外部介質(zhì)中有壓降，壓力波在流體中的傳播速度將以聲速前進(jìn)，而對(duì)于上游固定通道，壓力波的絕對(duì)傳播速度等于聲速和流體流出速度之差。隨著pb的降低，流體的流出速度逐漸增加，并且差值變得越來越小，直到背壓降低到出口速度等于聲速的點(diǎn)，并且差值等于零。此時(shí)，通道出口段的壓力為臨界壓力pc。

10、如果背壓pb進(jìn)一步減小到低于臨界值，出口段上的流出速度等于聲速，因此以聲速前進(jìn)的壓力波將不會(huì)傳播到通道的出口段。此時(shí)，出口段上的壓力仍為pc，高于外部壓力。兩相流的不穩(wěn)定性會(huì)對(duì)沸騰、冷凝或其它兩相流設(shè)備(如水冷反應(yīng)器、蒸汽發(fā)生器等)的運(yùn)行和安全產(chǎn)生不利影響。)。這些影響主要有：(1)連續(xù)流動(dòng)振蕩會(huì)引起有害的機(jī)械振動(dòng)(甚至共振)，導(dǎo)致設(shè)備的疲勞損壞。流動(dòng)引起的振動(dòng)！(2)流動(dòng)振蕩會(huì)使設(shè)備局部熱應(yīng)力周期性變化，導(dǎo)致熱疲勞失效。(3)流動(dòng)振蕩會(huì)影響局部傳熱性能，使臨界熱流密度大幅下降，提前引發(fā)沸騰危機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，由于流動(dòng)振蕩，臨界熱流可減少40%。3.4流動(dòng)不穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：當(dāng)流動(dòng)受到瞬時(shí)擾動(dòng)并進(jìn)

11、入新的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，它會(huì)逐漸回到原來的運(yùn)行狀態(tài)，稱為(圖一和圖二)；靜態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定性：如果它不能回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)，但在新的運(yùn)行狀態(tài)下是穩(wěn)定的，則稱之為(圖C)；動(dòng)態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定性：當(dāng)兩相流系統(tǒng)受到瞬時(shí)擾動(dòng)時(shí)，如果受到流動(dòng)慣性和其他反饋效應(yīng)的作用，將產(chǎn)生放大或有限的流動(dòng)振蕩(圖D和E)。穩(wěn)定流動(dòng)和不穩(wěn)定流動(dòng)特性示例a和b是穩(wěn)定的；c，d，e不穩(wěn)定性，3.4.1基本概念，3.4.2不穩(wěn)定性機(jī)理，(a)流動(dòng)漂移，也稱為L(zhǎng)edinegg(1938)不穩(wěn)定性或流體動(dòng)力不穩(wěn)定性，其特征是擾動(dòng)流體流動(dòng)偏離原始平衡工作條件，并在新的流動(dòng)參數(shù)值下再次穩(wěn)定運(yùn)行。這種靜態(tài)不穩(wěn)定性是壓降-流量特性曲線(或流體動(dòng)力特性曲

12、線、流道內(nèi)部特性曲線)和泵特性曲線(流道外部特性曲線)相互作用的結(jié)果。(1)以通道內(nèi)特性曲線的形式，討論水通過均勻加熱的水平圓形和直形通道的流動(dòng)(如圖所示)。假設(shè)水在加熱管中流動(dòng)，并逐漸被加熱和汽化，直到變成過熱蒸汽，然后從噴嘴中離開，忽略加速壓降，穿過加熱管的管pf的總壓降可以表示為：水在均勻加熱的水平圓形直管中流動(dòng)，其中pf1是具有長(zhǎng)度L1的過冷水部分的摩擦壓降；pf2長(zhǎng)度L2飽和汽水混合物截面的摩擦壓降：長(zhǎng)度為L(zhǎng)3的pf3過熱蒸汽段的摩擦壓降?？倝航?，完成后，我們可以得到：對(duì)于水通過均勻加熱的水平圓形直管，出口為汽水混合物，或加熱管垂直放置的情況，也可以推導(dǎo)出與上述壓降W的三次方程形式相

13、同的方程，各系數(shù)與W無關(guān)。還應(yīng)指出，pf不僅是W的函數(shù)，還與熱通量、入口過熱度、流通面積和水力直徑有關(guān)。pf與w的關(guān)系如下圖所示：(2) :邊界條件以流道外特性曲線的形式出現(xiàn)。如果回路中的流量由泵驅(qū)動(dòng)，則其驅(qū)動(dòng)壓頭pp隨其泵送的流量W而變化，也就是說，對(duì)于每種類型的泵，其pp=f (W)如果工作點(diǎn)落在CKB段內(nèi)，內(nèi)部特征曲線以負(fù)斜率變化，K點(diǎn)不穩(wěn)定。(4)如何消除流體漂移的水動(dòng)力不穩(wěn)定性？可采取以下措施：(1)合理選擇系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)段，使系統(tǒng)不在pf的負(fù)斜率區(qū)域運(yùn)行；如果系統(tǒng)必須在該部分運(yùn)行，則可以使用壓降較大的泵來滿足先前的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)；節(jié)流件安裝在通道的進(jìn)口處，以增加進(jìn)口處的局部阻力。下圖中的曲

14、線2顯示了節(jié)流元件的阻力損失與質(zhì)量流量之間的關(guān)系。因?yàn)橥ǖ赖娜肟谕ǔＪ羌訜岵蛔愕乃?，所以其流?dòng)壓降與流速的平方成比例增加；曲線1是沒有節(jié)流元件的流動(dòng)特性曲線；曲線3是添加節(jié)流元件后的流量特性曲線，它是在流量和壓降相等的情況下添加曲線1和曲線2得到的?？梢钥闯?，增加節(jié)流元件后，管內(nèi)流動(dòng)特性曲線的形狀發(fā)生了變化，負(fù)斜率區(qū)域被消除；增加系統(tǒng)壓力，降低兩相之間的特定公差。系統(tǒng)壓力越高，兩相的質(zhì)量和體積之間的差異就越小，流動(dòng)就越穩(wěn)定。3.5反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓降和流量的計(jì)算反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(主回路)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，由幾個(gè)裝置和連接它們的管道組成(如右圖所示)。當(dāng)冷卻劑流過每一個(gè)設(shè)備或管道時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)壓降。

15、在反應(yīng)堆的熱工水力分析中，必須計(jì)算在一回路系統(tǒng)中循環(huán)的冷卻劑的總壓降pt。計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)不同情況將整個(gè)回路分成幾個(gè)部分，按照上述方法計(jì)算每個(gè)部分的各種壓降之和，然后將每個(gè)部分的壓降相加，得到整個(gè)回路的總壓降。因?yàn)樵诜€(wěn)定狀態(tài)下，閉環(huán)各部分的加速壓降之和為零，所以整個(gè)環(huán)路的總壓降為：現(xiàn)在，以壓水堆冷卻劑系統(tǒng)為例，說明回路總壓降pt的計(jì)算方法。根據(jù)計(jì)算中不同的工作條件，整個(gè)電路可分為四個(gè)部分(見右下圖):1。一段從堆芯入口1到堆芯出口2，一段從堆芯出口2到蒸汽發(fā)生器入口3 3，一段從蒸汽發(fā)生器入口3到出口4，一段從蒸汽發(fā)生器出口4到堆芯入口1，壓水堆冷卻劑系統(tǒng)，3.5.1壓水堆冷卻劑系統(tǒng)壓降計(jì)算。

16、根據(jù)計(jì)算，整個(gè)回路中總壓降pt的大小不僅與循環(huán)流量w有關(guān)，還與流體的平均溫度和傳遞的熱功率p有關(guān)，即函數(shù)關(guān)系由下圖中的pt線表示。3.5.2壓水堆冷卻劑系統(tǒng)流量計(jì)算，自然循環(huán)流量：為了保持流體在回路中穩(wěn)定循環(huán)，必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)力來克服摩擦壓降和形式阻力壓降。一種方法是利用回路中重力差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭作為強(qiáng)制循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力；另一種方法是使用泵和鼓風(fēng)機(jī)來提供驅(qū)動(dòng)力。在壓水堆冷卻劑系統(tǒng)中，正常運(yùn)行時(shí)循環(huán)驅(qū)動(dòng)力由反應(yīng)堆冷卻劑泵(主泵)提供，屬于強(qiáng)制循環(huán)。在某些事故條件下(如流量損失事故等)。)，自然循環(huán)流動(dòng)仍可能發(fā)生。在強(qiáng)制循環(huán)流中，pt和pp都是循環(huán)流w在回路中的函數(shù)。該公式是確定環(huán)路循環(huán)流量的基本方程。從這個(gè)方程，可以得到系統(tǒng)的循環(huán)流量w。在自然循環(huán)流中，主泵的特性曲線和主泵的驅(qū)動(dòng)壓頭pp隨泵送流量W而變化，即各種類型主泵的pp=f (W)曲線是通過實(shí)際測(cè)量得到的，稱為主泵的特性曲線，對(duì)于一次系統(tǒng)，也稱為一次回路的外特性曲線。參見右側(cè)的pp線。一次回路