第5章-核反應(yīng)堆流體力學(xué)-核工程概論課件

第5章

核反應(yīng)堆流體力學(xué)（1）冷卻劑的壓降計(jì)算壓降的計(jì)算內(nèi)容——冷卻劑流經(jīng)反應(yīng)堆的沿程阻力損失、局部阻力損失堆芯壓降的計(jì)算——可以確定冷卻劑通道內(nèi)的流量和焓升。堆芯設(shè)計(jì)計(jì)算——使各通道的焓升與冷卻劑流量相匹配，以保證最大限度地輸出堆內(nèi)的釋熱量。通過(guò)回路系統(tǒng)的水力計(jì)算——可以確定一回路系統(tǒng)的管路及部件的尺寸，確定冷卻劑泵的功率。（2）自然循環(huán)的計(jì)算反應(yīng)堆自然循環(huán)能力的提高，對(duì)提高反應(yīng)堆的安全性有很大影響，目前各國(guó)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者都為提高反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力尋求新的方法。對(duì)船用反應(yīng)堆，提高自然循環(huán)的能力更有特殊的意義，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

自然循環(huán)過(guò)程中流動(dòng)阻力的計(jì)算、自然循環(huán)流量的確定等，都需要水力計(jì)算來(lái)完成。（3）流動(dòng)不穩(wěn)定性的確定在反應(yīng)堆堆芯內(nèi)，為什么會(huì)出現(xiàn)流量漂移或流動(dòng)振蕩等流動(dòng)不穩(wěn)定性問(wèn)題？流動(dòng)不穩(wěn)定性對(duì)反應(yīng)堆產(chǎn)生什么后果？通過(guò)水力計(jì)算，以達(dá)到什么目的？5.1.1單相流基本方程（1）在反應(yīng)堆的水力計(jì)算中，經(jīng)常遇到的流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題及其處理方法？（2）實(shí)際問(wèn)題如何轉(zhuǎn)化？（3）常用的單相流體的一維流動(dòng)基本方程有：①質(zhì)量守恒方程②動(dòng)量守恒方程③能量守恒方程5.1.2單相流沿程阻力計(jì)算當(dāng)流體通過(guò)一個(gè)管路系統(tǒng)時(shí)，1和2兩個(gè)截面之間的總壓降可寫(xiě)成△pl,e

——重位壓降重位壓降是流體流動(dòng)過(guò)程中位置發(fā)生變化引起的，因此只有當(dāng)計(jì)算的兩個(gè)截面之間有一定的垂直高度差時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。重位壓降的一般表達(dá)式：對(duì)于單相水，有1.2單相流沿程阻力計(jì)算△pa——加速壓降，表示由于流體速度變化引起的靜壓變化，例如流體密度的變化和流通截面的變化引起的速度變化等；

△pf——摩擦壓降△pc——局部壓降

5.2氣—水兩相流

5.2.1兩相流的基本概念在反應(yīng)堆內(nèi)，水被加熱產(chǎn)生沸騰，形成兩相流動(dòng)。這一過(guò)程中的許多兩相流特征，對(duì)水冷核反應(yīng)堆的工作過(guò)程都有重要影響。氣體和液體都是流體，當(dāng)它們單獨(dú)流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)規(guī)律基本相同。但是，它們共同流動(dòng)時(shí)與單獨(dú)流動(dòng)有許多不同之處。在氣-液兩相流動(dòng)中，兩相介質(zhì)都是流體，各自都有相應(yīng)的流動(dòng)參數(shù)。另外，由于兩相介質(zhì)之間的相互作用，還出現(xiàn)了一些相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)。為了便于兩相流計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，還常常使用折算參數(shù)(或稱虛擬參數(shù))。這使得兩相流的參數(shù)比單相流復(fù)雜得多。知識(shí)擴(kuò)充在物理化學(xué)中，相是指一個(gè)宏觀物理系統(tǒng)所具有的一組狀態(tài)，也通稱為物態(tài)。處于一個(gè)相中的物質(zhì)擁有單純的化學(xué)組成和物理特性（如密度等）。最常見(jiàn)的物質(zhì)狀態(tài)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，俗稱“物質(zhì)三態(tài)”。5.2.2兩相流的基本方程計(jì)算方法與單相流相比，兩相流不僅變量多，而且變量之間的關(guān)系復(fù)雜。在兩相流場(chǎng)中，某時(shí)間域內(nèi)，空間任一位置上表現(xiàn)出不均勻性、不連續(xù)性及不確定性。原則上，仍可以運(yùn)用流體力學(xué)的基本分析方法建立分析兩相流動(dòng)的計(jì)算關(guān)系。從現(xiàn)有的兩相流計(jì)算方法看，可以分為兩大類：簡(jiǎn)化模型分析法：（1）分相流模型

分相流模型——是把兩相流看成是分開(kāi)的兩股流體流動(dòng)，把兩相分別按單相流處理，并考慮兩相之間的相互作用，然后將各相的方程加以合并。這種處理兩相流的方法通常稱為分相流動(dòng)模型。這種模型適用類型：（2）均相流模型

均相流模型是一種最簡(jiǎn)單的模型分析方法，其基本思想——是通過(guò)合理地定義兩相混合物的平均值，把兩相流當(dāng)做具有這種平均特性、遵守單相流基本方程的均勻介質(zhì)。這種模型實(shí)際上是單相流體力學(xué)的拓延。這種模型的基本假設(shè)是：兩相流具有相等的速度，兩相之間處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，可使用合理確定的單相摩阻系數(shù)表征兩相流動(dòng)。5.3臨界流動(dòng)（1）概念導(dǎo)入在一個(gè)充滿流體的系統(tǒng)中，如果上游壓力為P0，背壓為pb，當(dāng)背壓Pb下降到低于P0時(shí)，流動(dòng)就開(kāi)始了，并在上游壓力P0與背壓Pb之間建立起一個(gè)壓力梯度。當(dāng)Pb進(jìn)一步降低時(shí)，流量增加，如果Pb降低得足夠多，會(huì)使通道出口處的質(zhì)量流量達(dá)到最大值。背壓Pb的進(jìn)一步降低不再會(huì)使質(zhì)量流量增加。把這種流量保持最大值的流動(dòng)叫臨界流動(dòng)。

質(zhì)量流量和質(zhì)量流速兩相流的總質(zhì)量流量為M，它表示單位時(shí)間流過(guò)某一流道橫截面的氣-液混合物的總質(zhì)量，單位：每一相的質(zhì)量流量與總質(zhì)量流量的關(guān)系為M=M’+M’’流道單位截面通過(guò)的質(zhì)量流量，稱為質(zhì)量流速，或質(zhì)量流密度，單位：G=M/A（2）臨界流動(dòng)定義當(dāng)系統(tǒng)的某一部分流動(dòng)時(shí)，流量不受下游壓力變化的影響。在氣體動(dòng)力學(xué)中，已對(duì)這種臨界流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了充分研究，發(fā)展了一套完善的理論和計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)證明，兩相流動(dòng)也存在上述臨界流現(xiàn)象，但兩相流的臨界流比單相臨界流復(fù)雜得多，這是由于兩相流體是不連續(xù)的，在兩相流中壓力波的傳遞受到兩相界面的阻尼，其傳遞方式與在單相介質(zhì)中不同。

知識(shí)擴(kuò)展阻尼（damping）是指任何振動(dòng)系統(tǒng)在振動(dòng)中，由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動(dòng)幅度逐漸下降的特性，以及這一特性的量化表征。（3）臨界流動(dòng)對(duì)核動(dòng)力裝置的安全影響

兩相臨界流動(dòng)對(duì)于核動(dòng)力裝置的安全分析是很重要的。在核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)各類破口事故時(shí)，高溫高壓的冷卻劑從大約15MPa的壓強(qiáng)下降到大氣壓附近，會(huì)引起冷卻劑的突然汽化和兩相流動(dòng)。大破口事故會(huì)導(dǎo)致冷卻劑的迅速喪失，使活性區(qū)暴露在蒸汽環(huán)境中。上述的流動(dòng)過(guò)程中，破口處的流動(dòng)處于臨界流狀態(tài)。研究這一過(guò)程的臨界流量與系統(tǒng)內(nèi)其他參數(shù)的關(guān)系，對(duì)分析破口事故的影響有重要意義。因此，計(jì)算此時(shí)臨界兩相流系統(tǒng)的流量，對(duì)于確定事故危害程度和原因，以及事故冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是十分重要的。5.4兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性

5.4.1流動(dòng)不穩(wěn)定性的基本概念5.4.1.1流動(dòng)不穩(wěn)定性（1）概念上分類：（2）靜態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定性定義對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的流動(dòng)系統(tǒng)，其參數(shù)僅是空間變量的函數(shù)，與時(shí)間變量無(wú)關(guān)。實(shí)際上，在兩相流動(dòng)系統(tǒng)中，流動(dòng)參數(shù)往往因湍流、成核汽化或流型改變而發(fā)生小的起伏或脈動(dòng)。這種脈動(dòng)，在一定條件下可能是觸發(fā)某些不穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)因素。當(dāng)兩相流動(dòng)狀態(tài)經(jīng)受瞬間擾動(dòng)時(shí)，若它能從新的運(yùn)行狀態(tài)又漸漸地恢復(fù)到初始的運(yùn)行狀態(tài)，這就是穩(wěn)定流動(dòng)；若它不能恢復(fù)到初始的穩(wěn)定狀態(tài)，而是穩(wěn)定于新?tīng)顟B(tài)，或具有周期性，這種流動(dòng)工況稱為靜態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定性。（3）動(dòng)態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定性的定義在兩相流動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)經(jīng)受某一瞬間擾動(dòng)時(shí)，如果在流動(dòng)慣性和其他反饋效應(yīng)作用下，產(chǎn)生了流動(dòng)振蕩而不能穩(wěn)定在某一狀態(tài)，則這種特性稱為動(dòng)態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定。

（4）兩相流動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性①定義：是指在一個(gè)系統(tǒng)中，由于小的擾動(dòng)引起流量、壓降和空泡份額的大幅度振蕩。②理解：它與機(jī)械系統(tǒng)中的振動(dòng)相類似，質(zhì)量流量、壓降和空泡可以看作機(jī)械系統(tǒng)中的質(zhì)量、激發(fā)力和彈簧，就此而論，流速和壓降之間的關(guān)系起著重要的作用。③危害：如果在傳熱、空泡、流動(dòng)方式和流速之間存在熱力學(xué)-水動(dòng)力學(xué)的耦合時(shí)，流動(dòng)的振蕩會(huì)加劇。然而即使在熱源保持恒定時(shí)，也會(huì)發(fā)生振蕩。流動(dòng)不穩(wěn)定性的存在，會(huì)對(duì)反應(yīng)堆的正常運(yùn)行帶來(lái)很大的危害。5.4.1.2流動(dòng)不穩(wěn)定性的種類流動(dòng)不穩(wěn)定性有很多種，幾種常見(jiàn)的流動(dòng)不穩(wěn)定性有：（1）流型變遷不穩(wěn)定性（2）起泡不穩(wěn)定性起泡不穩(wěn)定性指的是液相突然汽化，使氣-水混合物的密度迅速下降所引起的瞬間不穩(wěn)定性。它直接依賴于液體的物性、系統(tǒng)的幾何形狀以及受熱面條件。

（3）平行通道的管間脈動(dòng)管間脈動(dòng)是平行的加熱管道中氣-水兩相流的不穩(wěn)定現(xiàn)象。管間脈動(dòng)是在并列通道進(jìn)出口之間壓差基本不變、總的給水量和蒸發(fā)量不變的情況下，并列通道之間所產(chǎn)生的周期性的流量波動(dòng)。特點(diǎn)：并列通道中的一些通道的流量增大時(shí)，另一些通道的流量減小，并做周期性的變化；

（4）關(guān)于脈動(dòng)的幾個(gè)概念脈動(dòng)的振幅：脈動(dòng)時(shí)最大流量與平均流量之差；脈動(dòng)的周期：而兩個(gè)相鄰的最大流量之間的時(shí)間。脈動(dòng)的振幅和周期越大，則并聯(lián)通道中工質(zhì)流動(dòng)的不穩(wěn)定性越大。5.4.2流量漂移不穩(wěn)定性流量漂移是加熱通道內(nèi)氣-水兩相流中最常見(jiàn)的流動(dòng)不穩(wěn)定性之一，屬靜態(tài)不穩(wěn)定性范圍。特點(diǎn)：系統(tǒng)內(nèi)的流量會(huì)發(fā)生突然性變化。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在著阻力隨著流量的增加而下降的關(guān)系時(shí)，就可能出現(xiàn)這種不穩(wěn)定性。5.5自然循環(huán)（1）定義自然循環(huán)是指在一個(gè)閉合的回路內(nèi)，在沒(méi)有外部驅(qū)動(dòng)力的作用下，依靠回路冷、熱段的密度差，和冷、熱源中心的高度差產(chǎn)生的循環(huán)。

5.5自然循環(huán)（2）反應(yīng)堆中自然循環(huán)的形成