核反應堆熱工水力課程設計報告

..一、設計要求在設計反響堆冷卻系統(tǒng)時，為了保證反響堆運行平安可靠，針對不同的堆型，預先規(guī)定了熱工設計必須遵守的要求，這些要求通常就稱為堆的熱工設計準那么。目前壓水動力堆設計中所規(guī)定的穩(wěn)態(tài)熱工設計準那么，一般有以下幾點：燃料元件芯塊最高應低于其他相應燃耗下的熔化溫度；燃料元件外外表不允許發(fā)生沸騰臨界；必須保證正常運行工況下燃料元件和堆構件得到充分冷卻；在事故工況下能提供足夠的冷卻劑以排除堆芯余熱；在穩(wěn)態(tài)額定工況和可預計的瞬態(tài)運行工況中，不發(fā)生流動不穩(wěn)定性。在熱工設計中，通常是通過平均通道〔平均管〕可以估算堆芯的總功率，而熱通道〔熱管〕那么是堆芯中軸向功率最高的通道，通過它確定堆芯功率的上限，熱點是堆芯中溫度最高的點，代表堆芯熱量密度最大的點，通過這個點來確定DNBR。二、設計任務某壓水反響堆的冷卻劑和慢化劑都是水，用二氧化鈾作燃料，Zr-4作燃料包殼材料。燃料組件無盒壁，燃料元件為棒狀，正方形排列，以下參數：系統(tǒng)壓力P15.8MPa堆芯輸出熱功率Nt1820MW冷卻劑總流量W32500t/h反響堆進口溫度tfin287℃堆芯高度L3.60m燃料組件數m121燃料組件形式n0×n017×17每個組件燃料棒數n265燃料包殼外徑dcs9.5mm燃料包殼徑dci8.6mm燃料包殼厚度δc0.57mm燃料芯塊直徑du8.19mm燃料棒間距〔柵距〕s12.6mm兩個組件間的水隙δ0.8mmUO2芯塊密度ρUO295%理論密度旁流系數ζ5%燃料元件發(fā)熱占總發(fā)熱份額Fa97.4%徑向核熱管因子QUOTE1.33軸向核熱管因子QUOTE1.520熱流量核熱點因子QUOTE=QUOTEQUOTE2.022熱流量工程熱點因子QUOTE1.03焓升工程熱點因子QUOTE(未計入交混因子)1.142交混因子QUOTE0.95焓升核熱管因子QUOTE=QUOTE1.085堆芯進口局部阻力系數Kin0.75堆芯出口局部阻力系數Kout1.0堆芯定位格架阻力系數Kgr1.05假設將堆芯自下而上分為3個控制體，其軸向歸一化功率分布見下表：表堆芯歸一化功率分布〔軸向等分3個控制體〕自下而上控制體號123456歸一化功率分布0.481.021.501.560.960.48通過計算，得出：1.堆芯流體出口溫度；2.燃料棒外表平均熱流密度以及最大熱流密度，平均線功率，最大線功率；3.熱管的流體溫度〔或焓〕、包殼外表溫度、芯塊中心溫度隨軸向的分布；4.包殼外表最高溫度，芯塊中心最高溫度；5.DNBR在軸向上的變化；6.計算堆芯壓降設計正文〔詳細的計算過程、計算結果及分析〕1.計算過程1.1堆芯流體出口溫度〔平均管〕QUOTE按流體平均溫度QUOTE以及壓力由表中查得。假設QUOTE，查表得QUOTE經過輸入所查QUOTE程序不斷迭代得QUOTE誤差小于0.5QUOTE。如需更準確的值，可以繼續(xù)進展迭代計算。1.2燃料外表平均熱流密度QUOTE式中QUOTE為堆芯燃料棒的總傳熱面積代入數據得燃料棒外表最大熱流密度qmax代入數據得燃料棒平均線功率QUOTE代入數據得燃料棒最大線功率QUOTE代入數據得1.3平均管的情況平均管的流速V式中QUOTE堆芯總流通面積QUOTE為燃料組件正方形排列時的每一排〔列〕的燃料元件數QUOTE由壓力以及流體的平均溫度QUOTE查表得到:由1.1知QUOTE，查表得QUOTE1.4為簡化計算起見，假定熱管的流體流速Vh和平均管的V一樣。同樣，熱管四根燃料元件組成的單元通道的流量代入數據得1.5熱管中的計算〔按一個單元通道計算〕〔1〕熱管中的流體溫度其中QUOTE取平均溫度對應的參數值，需要進展迭代計算，下面給出第一控制體出口處溫度的算法假設QUOTE,查表得QUOTE,帶入上式與假設誤差較大，進展迭代，查表知QUOTE誤差QUOTE，可以不再進展迭代，就取QUOTE同理由程序迭代可求得第二控制體出口處流體溫度QUOTE第三控制體出口處流體溫度QUOTE第四控制體出口處流體溫度QUOTE第五控制體出口處流體溫度QUOTE第六控制體出口處流體溫度QUOTE(2)第一個控制體出口處的包殼外壁溫度式中：h(z)為單相水強迫對流換熱系數QUOTE，可以利用以下公式來求所以式中流體的λ、μ和Pr數根據流體的壓力和溫度由表查得。如果流體已經到達過冷沸騰，用Jens-Lottes公式：其中QUOTE為氣體的飽和溫度，p的單位為MPa，QUOTE當QUOTE時，用前面的式子當QUOTE時，用QUOTE替換掉QUOTE代入數據得第一控制體出口處QUOTE，查表可得QUOTEQUOTEQUOTEQUOTE故其余同理由程序計算得出結果如下第二控制體出口處QUOTE，查表可得QUOTEQUOTEQUOTEQUOTE故第三控制體出口處QUOTE，查表可得QUOTEQUOTEQUOTEQUOTE故第四控制體出口處QUOTE，查表可得QUOTEQUOTEQUOTEQUOTE故第五控制體出口處QUOTE，查表可得QUOTEQUOTEQUOTEQUOTE故第六控制體出口處QUOTE，查表可得QUOTEQUOTEQUOTEQUOTE故〔3〕包殼壁溫度式中Zr-4的QUOTE代入數據得：由于QUOTE與平均溫度有關，由程序迭代計算結果如下第一控制體出口處QUOTE第二控制體出口處QUOTE第三控制體出口處QUOTE第四控制體出口處QUOTE第五控制體出口處QUOTE第六控制體出口處QUOTE(4)燃料芯塊外外表溫度式中QUOTE是包殼與芯塊間的氣隙等效傳熱系數，這里取QUOTE代入數據得第一個控制體出口處第二個控制體出口處第三個控制體出口處第四個控制體出口處第五個控制體出口處第六個控制體出口處(5)燃料芯塊中心溫度用積分熱導求解的方法，即其中QUOTE代入數據得令QUOTE由于函數遞增，可以通過二分法求解f(x)的根得出二氧化鈾中心溫度通過編程可求得結果如下第一控制體出口處QUOTE第二控制體出口處QUOTE第三控制體出口處QUOTE第四控制體出口處QUOTE第五控制體出口處QUOTE第六控制體出口處QUOTE1.6熱管中的QUOTE用w-3公式計算，同樣對3個控制體都算式中：p為冷卻劑工作壓力〔Pa〕，G為冷卻劑質量流密度QUOTE,QUOTE為冷卻劑通道的當量直徑〔m〕,QUOTE為冷卻劑的飽和比焓〔J/kg〕,QUOTE為控制體進口處冷卻劑的比焓〔J/kg〕,QUOTE為計算點z處的平衡含氣量，QUOTE為其絕對值。平衡含氣量QUOTE的計算式為其中QUOTE為汽化潛熱〔J/kg〕。QUOTEQUOTEQUOTE通過程序計算得出結果如下第一控制體出口處第二控制體出口處第三控制體出口處第四控制體出口處第五控制體出口處第六控制體出口處1.7DNBR的計算第一控制體出口處同理可求其余段DNBR，結果如下：第二控制體出口處第三控制體出口處第四控制體出口處第五控制體出口處第六控制體出口處1.8計算熱管中的壓降單相流體的摩擦壓降式中：使用公式編程分別計算六段控制體的摩擦壓降單相流體加速壓降：同樣使用公式編程分別計算六段控制體的加速壓降單相流體提升壓降同上局部壓降，出口：代入數據得局部壓降，進口：代入數據得局部壓降，定位格架出口壓降代入數據得以上所使用的比熱容和動力粘度都通過軟件查詢后輸入代碼中進展計算。通過程序計算結果如下分段壓降變化控制體123456提升壓降/QUOTEpa4.3974.3164.1733.9843.8133.708摩擦壓降/QUOTEpa1.0030.9350.4500.4450.4390.435加速壓降//QUOTEpa0.1170.2690.4530.5650.4120.228總壓降為2.計算總結溫度匯總表控制段控制體外流體出口溫度/℃包殼外外表溫度℃包殼外表溫度芯塊外表溫度芯塊中心溫度1291.69303.51313.13384.03568.792301.3326.15346.26492.83974.833314.86348.41377.54593.091383.574327.70348.43378.72602.891430.385334.89348.19366.89504.84958.776338.22347.90357.27426.25619.90臨界熱流密度和燒毀比匯總控制體123456臨界熱流密度QUOTE5.2444.7313.8973.1092.6242.388燒毀比15.0776.403.5852.7503.7226.864單從表數據看，DNBR都大于1，芯塊中心溫度小于二氧化鈾的熔點2878℃，所以理論上能夠保證平安性。四、課程設計感想通過這次反響堆熱工分析的課程設計，我加深了對反響堆部傳熱的了解，同時我發(fā)發(fā)現(xiàn)了自己的很多缺乏之處。拿到課程設計題目后，我首先根據題目中的問題去復習熱工分析的知識，去了解每個問題該怎么算。然后將計算思路和公式寫出來，為下一步的編程做準備。由于大局部的求解都是非線性的方程，所以采用了迭代和二分法求解方程。當把整個問題的求解思路理清和確定計算過程中使用算法后，整個問題就在水和水蒸氣熱物性如何導入上了。在最開場，我使用通過一定的數據去擬合用到的熱物性在定壓下與溫度的關系。但在擬合之后，通過得出的結果與接用水和水蒸氣熱物性查詢軟件得出的結果有一點差距，所以就放棄了。然后，我想將網上通過水和蒸汽熱力性質公式IAPWS_IF97計算的源碼做成接口，在計算過程中直接用它計算熱物性。后來，發(fā)現(xiàn)太難，源碼有很多地方看不懂，不知道如何接入。于是最終也放棄了。后來就采用了最原始的方法，就是在計算的過程中，通過水和水蒸氣熱物性查詢軟件查出結果，一步一步輸進去。最后使用程序計算時，在輸入參數時耗時太久，我深深的感受到書到用處方恨少，如果原來，把編程多學一點，將整個數據導入直接通過動態(tài)庫完成，就省事太多。這次課設讓我把原來學的編程與實際問題結合起來，給我很大感觸，原來敲著書上的例子，感覺漫無目的。通過這次自己去思考如何解決一個問題，讓我理解了拿到一個問題后，該如何處理。同時通過這次課設，我意識到反響堆熱工分析是個復雜而連續(xù)的過程，每個參數都受到大量的常數參數的影響也具有很多的修正因子。我們不應該根據自己的常識來判斷數據的變化情況，相反地我們應該隨時堅持以數據計算為引導，以實驗作為驗證。仔細客觀認真地分析堆數據的變化，并且對堆數據進展全程監(jiān)控，防止堆數據隨時變化，對反響堆的危害性。附錄〔設計流程圖、程序〕程序說明共7個程序由c語言編寫，分別為計算流體出口溫度，控制體出口流體溫度，燃料包殼外壁溫度，燃料包殼壁溫度，二氧化鈾中心溫度，qDNB,壓降。使用了迭代和二分法求解局部非線性方程?！?〕堆芯出口溫度計算：此段根據任務書給出的根本參數和熱量與流量之間關系，運用迭代的算法，求出堆芯的出口溫度。〔2〕第一至第六控制體的各量計算：因為六個控制體的計算過程類似，這里只說明第一個控制體的計算過程。在現(xiàn)有的參數下，根據熱流量與流量的關系和迭代算法，求出該控制體的出口溫度。通過流通截面積與濕周的關系求出柵元的當量直徑。再根據上面的溫度，查出對應的熱物性參數由雷諾數與努爾數的關系，解出控制體出口處的對流換熱系數。因為不知該處的流體狀態(tài)，分別用單相強迫對流放熱公式和詹斯-洛特斯傳熱方程算出各自的膜溫壓，取較小的值加上出口處的流體溫度即是包殼的外外表溫度。由包殼的外外表的溫度再根據圓管的傳熱方程運用迭代算法解出包殼外表的溫度。芯塊與包殼外表之間的導熱問題，根據間隙導熱模型，即可解出芯塊外表的溫度，根據熱源的導熱模型，依據積分熱導率與溫度的對應關系列出方程用二分法解出芯塊中心的溫度。接下來依據冷卻劑的溫度，得出的控制體出口處的含汽量。進而依據W-3公式求出該出的臨界熱流量qDNB，最后得出該出的燒毀比DNBR?！?〕熱管的壓降計算：熱管的壓降包括摩擦壓降、提升壓降、進出口局部壓降、定位擱架出口壓降。摩擦壓降可由計算單相流的達西〔Darcy〕公式算得。提升壓降可由根據位置的變化算得，其中參數都取平均值。其余的壓降根據形阻壓降的根本公式再乘以相應的系數求得。最后各項相加得出熱管的總壓降。2、流程圖開場開場讀輸入參數讀輸入參數計算有關堆參數計算有關堆參數估算控制體出口溫度估算控制體出口溫度tf計算控制體出口溫度計算控制體出口溫度θQUOTEQUOTE|<0.001重估tf重估tf計算該處含汽量計算該處含汽量是計算包殼外外表溫度計算包殼外外表溫度根據根據W-3算臨界熱流包殼內外表溫度包殼內外表溫度芯塊外表溫度計算燒毀比芯塊外表溫度計算燒毀比芯塊中心溫度芯塊中心溫度打印輸出值打印輸出值停機停機2、程序//3.1.cpp:定義控制臺應用程序的入口點。//流體出口溫度迭代計算#include"stdafx.h"#include<math.h>#include<iostream>usingnamespacestd;doubletfout(doublecp,doubleatfout){doubletfin=287,Fa=0.974,Nt=1820,W=32500,plxs=0.05,tfout; tfout=tfin+3600*Fa*Nt/(W*cp*(1-plxs));returntfout;}intmain(){doubleatfout,tfin=287,tav,cp,tfoutc=0;intpanding=1; printf("請輸入假設出口溫度\n"); cin>>atfout;while(panding>=1){ tav=(atfout+tfin)/2; printf("請輸入%f下的Cp\n",tav); cin>>cp; tfoutc=tfout(cp,atfout);if(fabs(tfoutc-atfout)<=0.5) panding=0; atfout=tfoutc; } printf("出口溫度為%f\n",tfoutc);while(true) { }}//3.3.1熱管流體溫度計算#include"stdafx.h"#include<math.h>#include<iostream>usingnamespacestd;doubleffout(doubletfin,doubleatfout){doubleqav,fnr=1.33,feh=1.03,fehm=0.95,dcs=9.5,gyh,cp,wh,l=3.60,tfout;boolpanding=true; cout<<"請輸入平均熱流密度〔W/m*m〕"<<endl; cin>>qav; cout<<"請輸入歸一化參數"<<endl; cin>>gyh; cout<<"請輸入熱管單元通道流量Wh〔t/h〕"<<endl; cin>>wh;while(panding){doubletav=(atfout+tfin)/2; cout<<"請輸入"<<tav<<"下的Cp(J/(kg.℃))"<<endl; cin>>cp; tfout=tfin+3.6*(qav*fnr*feh*fehm*3.14*dcs*gyh*l/6)/(wh*cp*1000);if(fabs(tfout-atfout)<=0.5) panding=false; atfout=tfout; }returntfout;}intmain(){doubletfin,atfout,tfout; cout<<"請輸入流體進口溫度"<<endl; cin>>tfin; cout<<"請輸入流體假設流體出口溫度"<<endl; cin>>atfout; tfout=ffout(tfin,atfout); cout<<tfout;while(true) { }}//3.3.02.cpp:定義控制臺應用程序的入口點。//計算包殼外壁溫度#include"stdafx.h"#include"cmath"#include"iostream"usingnamespacestd;intmain(){doubletfout[6]={291.69,301.38,314.86,327.70,334.89,338.22},gyhcs[6]={0.48,1.02,1.50,1.56,0.96,0.48};doublepr[6],drxs[6],dlnd[6],f1[6],f2[6],f[6];inti;for(i=0;i<6;i++) { cout<<"請輸入"<<tfout[i]<<"下的普朗特數"<<endl; cin>>pr[i]; cout<<"請輸入"<<tfout[i]<<"下的導熱系數〔W/(m?℃)〕"<<endl; cin>>drxs[i]; cout<<"請輸入"<<tfout[i]<<"下的動力粘度kg/(m?s)"<<endl; cin>>dlnd[i]; f1[i]=2.25*pow(10,4)*gyhcs[i]*pow(dlnd[i],0.8)/(drxs[i]*pow(pr[i],0.4)); f2[i]=346.38+1.83*pow(gyhcs[i],0.25)-tfout[i];if(f1[i]>f2[i]) f[i]=f2[i];elsef[i]=f1[i]; cout<<"θf1="<<f1[i]<<"θf2="<<f2[i]<<"f="<<f[i]+tfout[i]<<endl; }while(true) { }}//3.3.2.cpp:定義控制臺應用程序的入口點。//計算壁溫度#include"stdafx.h"#include"iostream"#include"math.h"usingnamespacestd;doubleftci(doubletcs,doubleatci){doublefrn=1.33,feq=1.03,gyhcs,dcs=9.5,dci=8.6,kc,tav,q,tci;boolpanding=true; cout<<"請輸入歸一化參數"<<endl; cin>>gyhcs; cout<<"請輸入平均線功率，單位w/m"<<endl; cin>>q;while(panding) { tav=(tcs+atci)/2; kc=0.00547*(1.8*tav+32)+13.8; tci=tcs+log(dcs/dci)*(q*frn*feq*gyhcs)/(2*3.14*kc);if(tci-atci<=0.5) panding=false; atci=tci; }returntci;}intmain(){doubletcs,tci,atci; cout<<"請輸入外壁溫度℃"<<endl; cin>>tcs; cout<<"請輸入壁假設溫度℃"<<endl; cin>>atci; tci=ftci(tcs,atci); cout<<tci;while(true) { }}//3.3.3.cpp:定義控制臺應用程序的入口點。//計算二氧化優(yōu)中心溫度#include"stdafx.h"#include"iostream"#include"math.h"#include<cmath>usingnamespacestd;doublef1(doublet){doublefout; fout=38.24*log((t+402.55)/402.55)+4.788*pow(10,-13)*(pow((t+273.15),4)-pow(273.15,4));returnfout;}doublef2(doubletci,doubleatu){doubletu,fnr=1.33,feq=1.03,gyhcs,q,tmid,jieguo;boolpanding=true; cout<<"請輸入歸一化參數"<<endl; cin>>gyhcs; cout<<"請輸入線熱流密度/w"<<endl; cin>>q;if((f1(atu)-f1(tci)-(q*fnr*feq*gyhcs)/(4*314))>0) { tu=tci; panding=false; }while(panding) {if((f1(atu)-f1(tci)-(q*fnr*feq*gyhcs)/(4*314))>0) { panding=false; tu=atu-100; }elseatu=atu+100; }while(atu-tu>0.0000001) { tmid=(atu+tu)/2; jieguo=f1(tmid)-f1(tci)-(q*fnr*feq*gyhcs)/(4*314);if(jieguo==0) tu=tmid;elseif(jieguo>0) atu=tmid;elsetu=tmid; }returntu;}intmain(){doubletci,atu,tu; cout<<"請輸入燃料芯塊外壁溫度/℃"<<endl; cin>>tci; cout<<"請輸入假設二氧化鈾中心溫度/℃"<<endl; cin>>atu; tu=f2(tci,atu); cout<<tu;while(true) { }}//3.5.cpp:定義控制臺應用程序的入口點。//計算DNBR#include"stdafx.h"#include"iostream"#include"cmath"#definepi3.14#defineP15800000usingnamespacestd;doublefqDNB(doublehfout,doublehfin,doublehfs,doublehfg,doubleg,doubledlzj){doublex,a1,a2,a3,a,b,c,d,e,qDNB; x=(hfout-hfs)/hfg; a1=2.022-6.238*pow(10,-8)*P; a2=0.1722-1.43*pow(10,-8)*P; a3=exp((18.177-5.987*pow(10,-7)*P)*x); a=3.154*pow(10,6)*(a1+a2*a3); b=(0.1484-1.596*x+0.1729*x*fabs(x))*0.2049*g/1000000+1.037; c=1.157-0.869*x; d=0.2664+0.8357*exp(-124*dlzj); e=0.8258+0.341*pow(10,-6)*(hfs-hfin); qDNB=a*b*c*d*e;returnqDNB;}intmain(){doublehfout[6],hfin[6],gyhcs[6],qDNB[6],DNBR[6],hfs,hfg,dcs=0.0095,g,s=0.0126,q,frn=1.33,fqe=1.03,dlzj;inti; dlzj=4*(s*s-pi*dcs*dcs/4)/(pi*dcs);for(i=0;i<6;i++) { cout<<"請輸入第"<<i+1<<"段控制體出口冷卻劑比焓〔J/kg〕"<<endl; cin>>hfout[i]; cout<<"請輸入第"<<i+1<<"段進口溫度下的冷卻劑比焓〔J/kg〕"<<endl; cin>>hfin[i]; cout<<"請輸入第"<<i+1<<"段控制體歸一化參數"<<endl; cin>>gyhcs[i]; } cout<<"請輸入15.8MPa下的冷卻劑的飽和比焓〔J/kg〕"<<endl; cin>>hfs; cout<<"請輸入15.8MPa下的冷卻劑的汽化潛熱〔J/kg〕"<<endl; cin>>hfg; cout<<"請輸入熱管中冷卻劑質量流量密度[kg/(m*m*h)]"<<endl; cin>>g; cout<<"請輸入線熱流密度(W/m*m*m)"<<endl; cin>>q;for(i=0;i<6;i++) { qDNB[i]=fqDNB(hfout[i],hfin[i],hfs,hfg,g,dlzj); DNBR[i]=qDNB[i]/(q*fqe*frn*gyhcs[i]); cout<<"第"<<i+1<<"段控制體qDNB為"<<qDNB[i]<<endl; cout<<"第"<<i+1<<"段控制體DNBR為"<<DNBR[i]<<endl; }while(true) { }}//3.6.cpp:定義控制臺應用程序的入口點。//計算堆芯壓降#include"stdafx.h"#include"iostream"#include"cmath"usingnamespacestd;constdoubleg=9.8;constdoubleKo=1.0;constdoubleKi=0.75;constdoubleKgr=1.05;constdoubleL=3.60;constdoubleV=3.85;constdoubleG=9.88e+6/3600;constdoubledlzj=1.178e-2;constdoubletfout[6]={291.69,301.38,314.86,327.70,334.89,338.22};constdoubletfin[6]={287,291.69,301.38,314.86,327.70,334.89};constdoubletcs[6]={303.51,326.15,348.41,348.43,348.19,347.90};doublefpel(doublemidu)//計算提升壓降{returnmidu*L*g/6;}doublefpf(doublef,doubledlzj,doublemidu)//計算摩擦壓降{returnf*L*midu*V*V/(2*dlzj*6);}doublefpa(doublevi,doublevo)//計算加速壓降{returnG*G*(vo-vi);}doublefpout(doublevo)//計算出口局部壓降{returnKo*G*G*vo/2;}doublefpin(doublevi)//計算進口局部壓降{returnKo*G*