环形通道内再淹没过程先驱冷却传热特性研究

骤冷前沿推进是失水事故后再淹没过程中堆芯冷却速率的重要标志，先驱冷却传热对骤冷前沿的推进起到关键作用，对先驱冷却传热特性的研究十分必要。本文通过数值求解二维非稳态导热方程获得先驱冷却传热系数，并基于环形通道内底部再淹没实验数据，分析先驱冷却传热系数受初始壁温、入口温度和入口质量流速等参数的影响规律。研究结果表明，初始壁温对先驱冷却传热系数的影响不显著，先驱冷却传热系数随入口质量流速的增加而明显增加，随与骤冷前沿距离的增加而减小，基于实验数据得到本参数范围内先驱冷却传热关系式。     

环形通道内再淹没过程骤冷前沿推进速度实验研究

骤冷前沿推进速度是衡量失水事故中再淹没过程堆芯冷却效率的重要参数之一。本文通过实验研究了竖直环形通道内骤冷前沿的推进特性，获得初始壁温、入口温度、入口质量流速及加热功率对骤冷前沿推进速度的影响。实验结果表明，骤冷前沿推进速度随初始壁温、入口温度和加热功率的增加而减小，随入口质量流速的增加而增加。      

5×5均匀加热棒束底部再淹没实验研究及热工安全分析程序评价

核反应堆安全分析中的冷却剂丧失事故（Loss of Coolant Accident,LOCA）是反应堆安全的重要研究对象之一，LOCA事故中的再淹没阶段棒束通道内的热工水力行为是其中一个十分关键的问题。利用西安交通大学核安全与运行研究室的膜态沸腾实验平台，本文开展了对5×5均匀加热棒束开展了底部再淹没实验研究。通过求解一维瞬态逆导热问题获得再淹没过程中加热棒束的表面参数，探究了不同实验条件对骤冷前沿推进速度的影响，使用热工安全分析程序RELAP5对实验结果进行对比计算，总结了其在模拟再淹没过程中存在的问题。结果表明：1）再淹没过程中高进口流量、高入口过冷度和低功率密度更有利于骤冷前沿的推进；2)RELAP5模拟的骤冷时间总均方根误差40.994 s；包壳峰值温度（Peak Cladding Temperature,PCT）总均方根误差61.465 K。模拟值在后临界热流密度（Critical Heat Flux,CHF）换热阶段与实验值相比误差较大，问题主要集中在沸腾模式判断和膜态沸腾换热模型上。本文中的实验数据可为再淹没过程的流动传热预测模型提供新的验证数据，也可用于评价和优化热工...     

圆管通道底部再淹没过程实验研究

为验证和优化再淹没模型,通过实验研究了圆管通道内再淹没阶段流动换热特性,获得了不同工况下壁面温度的变化规律,实验工况范围为：入口冷却剂流速3~15 cm/s、入口过冷度15~75 ℃、初始壁面峰值温度340~600 ℃、实验压力0.2~0.4 MPa、加热功率1.3~2.3 kW/m。分析了初始壁温、冷却剂入口温度、入口流速及加热功率对骤冷时刻与骤冷温度的影响。结果表明,骤冷时刻与骤冷温度均随初始壁温、冷却剂入口温度以及加热功率的增加而增加,随入口冷却剂流速的增加而减小。     

矩形窄缝通道内再淹没过程骤冷温度研究

反应堆失水事故后，堆芯再淹没过程是维持燃料元件完整性以及缓解事故严重程度的重要手段之一。骤冷温度是再淹没过程关键参数，对了解再淹没过程先驱冷却与骤冷过程有着重要意义。本文基于双面加热的矩形窄缝通道试验装置，研究了矩形窄缝通道内再淹没过程，探究了初始壁面温度、加热功率、冷却剂流速、冷却剂过冷度、压力等对骤冷温度的影响，并通过量纲分析手段，提出了矩形窄缝通道内骤冷温度预测模型。结果表明，骤冷温度随初始壁面温度、加热功率、压力的升高而升高，与冷却剂流速与入口过冷度相关性较小，提出的骤冷温度预测模型预测效果良好。     

基于RELAP5的高温棒束通道再淹没数值模拟研究

基于ABB Atom 3×3棒束再淹没实验,运用RELAP5建立其实验装置的定流量再淹没计算模型,通过与实验结果做比对验证模拟的有效性,研究在高、低两种注水流量下从底部再淹没高温棒束通道时的不同骤冷现象,分析期间的流动形态、传热特性,液位进程,先驱冷却效果差异等。模拟结果表明:低流量下主液位落后于骤冷前沿,高流量下骤冷前沿明显落后于主液位;通过对比发现在高流量下的高液位为高温壁面带来更强的先驱冷却,使壁面温度更快的降到再湿温度,而低流量下几乎匀速上升的液位变化进程对前沿下游的高温壁面冷却较慢,需要更长的时间才能降到再湿温度。这些分析将为研究此模型下的重力注水打下坚实的基础。     

稠密棒束通道内骤冷前沿附近壁面放热模型研究

在再淹没过程中,骤冷前沿附近的流动换热现象最为复杂,通常所说的骤冷就是在这个区域发生的对于稠密棒束再淹没过程,实验研究显示其骤冷前沿处壁面温度的下降非常急剧,而已有的估算骤冷前沿附近放热的经验关系式模型未能合理预测该位置处的放热,进而不能很好地模拟整体包壳温度历史曲线形状。本研究结合窄通道沸腾换热相关研究,提出"液体半月板延伸区域瞬态蒸发模型"来估算骤冷前沿附近的放热。与实验结果对比,证明该模型能够更好地估算骤冷前沿处壁面温度的变化。     

骤冷前沿区域传热特性实验研究

骤冷过程中骤冷前沿区域的传热特性是研究骤冷过程的主要参数之一，也是研究骤冷前沿移动速度的一个主要输入自变量，本文采用瞬态热块实体验技术和变物性非稳态两维数值分析技术，研究了低压低质量流速条件下管内顶部骤冷过程中骤冷前沿区域的传热特性，以适用的物理模型为基础，采用多元非线性回归分析技术分析了相关参数对骤冷前沿区域传热特性的影响特征。在初始热壁温度为４５０～６００℃，系统压力为０．３１～０．８８ＭＰａ     

矩形窄缝通道底部再淹没实验研究

为了解矩形窄缝通道在失水事故（LOCA）下底部再淹没过程中的热工水力特性,在不同实验条件下开展再淹没实验研究。矩形窄缝通道由2块因科镍合金焊接而成,本研究根据温度变化曲线分析底部再淹没过程,计算并对比不同实验工况下的骤冷前沿的推进速度（骤冷速度）,以及研究实验参数对再淹没过程的影响。实验结果表明,底部再淹没骤冷速度随着系统压力增大、进口流速增大、初始壁面温度降低以及冷却水过冷度的增大而增大。对比分析底部与联合再淹没工况,结果表明流量相同的情况下,底部再淹没的骤冷速度大于联合再淹没。本文研究为板状燃料元件反应堆事故预防以及事故缓解等研究奠定了基础。      

定位格架对再淹没传热的影响

采用21根束棒元件研究定位格架对再淹没传热的影响。测量了元件壁温、塌陷液位、液体夹带的瞬态变化过程,研究了流道外壳温度对再湿速度的影响。试验表明,再淹没过程中,定位格架下游的元件表面温度明显下降,骤冷前,定位格架下游的传热系数比上游高,特定工况下,可高出70%,定位格架对传热的影响程度随试验参数及距骤冷前沿位置的不同而不同;影响范围约为100至150mm。试验的参数范围为:入口欠热度为15～80℃;初始壁温400～610℃;入口淹没率15～60mm/s;加热功率0～0.25kW/m;系统压力为常压。     

竖直管道内间歇式两相流动沸腾特性分析

自然循环或重力注水过程的热功率、冷却剂流量等操作条件较小,易出现各种流动不稳定现象,影响核反应堆事故的发展进程,间歇式流动沸腾现象就属于其中的一种。以去离子水为工质,采用2×2加热棒束,对内径为32 mm竖直通道内的间歇式流动沸腾现象进行了实验研究,分析了不同热流密度下间歇式流动沸腾不稳定现象的变化规律,讨论了热流密度对间歇式沸腾周期的影响。结果表明,在一定的热流密度条件下,当加热通道内流体达到饱和并过热时,会发生周期性地剧烈喷涌及冷液回流现象,期间伴随泡状流、弹状流、搅混流及环状流等多种流动形态;间歇喷涌周期取决于沸腾停滞时间,随热流密度的不断增大,沸腾停滞时间缩短,间歇喷涌周期也缩短。当热流密度增大到一定程度时,间歇式流动沸腾现象消失,从而转变为另一种两相流动不稳定现象。     

Investigation on the characteristic of CHF in various flow pattern regimes based on look-up table data

The critical heat flux (CHF) is one of the important phenomena limiting the maximum rate of heat transfer and hence power rating of nuclear reactors. The thermal hydraulic phenomena like pressure drop, heat transfer, stability, etc. depends upon the flow pattern in the system. The CHF phenomenon is also closely related to the two-phase flow patterns. It is important to investigate the dependence of CHF on the flow pattern regimes to understand the underlying mechanisms. The present investigation reveals that CHF generally increases with mass flux in the churn/slug region. However, in the annular region the CHF decreases with increase in mass flux. Considering the dependency of the CHF trend on the flow pattern regime, it will be useful to develop CHF models, which are specific to the flow pattern regime. The data of CHF look-up table has been considered in this investigation since this approach is one of the most reliable methods for the prediction of CHF and is being used in several best-estimate thermal-hydraulic system codes, such as RELAP5, CATHARE and CATHENA. The pressure, mass flux and quality have been considered as important thermal hydraulic parameters to characterize the flow pattern during CHF under various operating condition.     

2×2稠密棒束内超临界水的传热特性试验研究

在压力p=23～28 MPa、质量流速G=350～1 000 kg/(m²•s)、热流密度q=200～1000 kW/m²的试验参数范围内,对2×2棒束内超临界水的传热特性进行了试验研究。试验得到了加热管周向壁温分布规律,并就出现周向温度差异的原因进行了分析。此外,给出了压力、质量流速及热流密度等系统参数对平均传热特性的影响,分析了低质量流速下出现的传热恶化现象。试验结果表明：加热管周向壁温并不均匀,边角子通道壁温最高,中心子通道壁温最低,周向壁温的高低与横截面流通面积的不均匀性紧密相关。随着热流密度的提高或质量流速的降低,超临界水的传热受到抑制,当q/G增大到一定程度时,棒束内发生传热恶化。     

自然循环与强迫循环条件下阻力及换热特性对比

为研究自然循环和强迫循环条件下流动及换热特性的区别,以单面加热窄矩形通道为研究对象,在压力0.2 MPa、实验段入口欠热度30~60℃的条件下,分别进行了强迫循环和自然循环条件下流动及换热实验。等热流密度条件下的阻力实验研究表明:在层流区,强迫循环和自然循环条件下的阻力特性几乎相同;在湍流区,修正后的Blasius关系式能同时适用于强迫循环和自然循环条件下的阻力预测;通过对比发现,强迫循环和自然循环条件下的转捩点雷诺数以及过渡态雷诺数区间几乎相同。换热实验研究表明:在湍流区,适用于强迫循环条件下的Gneilinski关系式能对自然循环换热能力较好预测;通过分析发现,在本实验研究范围内,自然循环与强迫循环条件下换热能力无明显区别。     

Experiments on microgravity boiling heat transfer by using transparent heaters

To clarify the relation between the liquid–vapor behavior and the heat transfer characteristics in the boiling phenomena, the structures of transparent heaters were developed for both flow boiling and pool boiling experiments and were applied to the microgravity environment realized by the parabolic flight of aircraft. In the flow boiling experiment, a transparent heated tube makes the heating, the observation of liquid–vapor behavior and the measurement of heat transfer data simultaneously possible. The heat transfer coefficient in the annular flow regime at moderate quality has distinct dependence on gravity provided that the mass velocity is not so high, while no noticeable gravity effect is seen at high quality and in the bubbly flow regime. The measured gravity effect was directly related to the behavior of annular liquid film observed through the transparent tube wall. In the pool boiling experiment, a structure of transparent heating surface realizes both the observation of the macrolayer or microlayer behavior from underneath and the measurements of local surface temperatures and the layer thickness. It was clarified in the microgravity experiments that no vapor stem exists but tiny bubbles are observed in the macrolayer underneath a large coalesced bubble at high heat flux. The heat flux evaluated by the heat conduction across the layer assumes less than 30% of the total to be transferred. The evaporation of the microlayers underneath primary bubbles just after the generation dominates the heat transfer in the microgravity, not only in the isolated bubble region but also in the coalesced bubble region.     

超临界水冷堆类三角形子通道流动传热特性研究

基于类三角形子通道超临界水的传热试验,建立了超临界水冷堆三角形子通道物理模型。采用雷诺应力湍流模型SSG,在压力为23～28 MPa、质量流速为700～1300 kg/(m²•s)、热流密度为200～1000 kW/m²参数范围内,对棒径8 mm、栅距比为1.4的子通道内超临界水流动与传热特性进行了数值研究。分析了系统参数对流动和传热特性的影响,对比了不同焓区的二次流特性。结果表明：采用SSG模型对超临界水冷堆三角形子通道内流动传热的CFD模拟结果与试验数据较吻合。质量流速越高,传热能力越强;子通道换热系数峰值随压力的提高而减小;热负荷越高,内壁温度越高;在大比热容区换热系数峰值随热流密度的增大而明显减小,传热存在恶化趋势。超临界区子通道内在与主流垂直方向形成了明显的二次流,存在6个对称的漩涡,二次流速最大值出现在子通道窄缝区间隙。通道内不同焓区二次流结构相似,但二次流强度随焓的提高而增大。     

COSINE多相场子通道分析程序的开发与评估

COSINE多相场子通道分析程序基于两流体三相子通道守恒方程,在气液两相的基础上,单独考虑了液滴相的行为,并通过考虑通道间的交混,提高了对压水堆压力容器内的热工水力学现象分析能力及大破口事故的计算能力。本研究介绍了程序的基本模型及求解方法,选取代表性算例及实验工况进行建模计算,验证多相场子通道程序的计算能力。计算结果表明：程序可以对多通道热工水力现象进行模拟计算,计算结果与理论分析相符,程序可以精确模拟堆芯交混及再淹没工况,计算结果与实验数据具有良好的一致性,COSINE多相场子通道程序具备对压力容器内热工水力工况的计算能力。     

A study of the unsteady flow and heat transfer in the reflooding of water reactor cores

In the event of a loss-of-coolant accident in a water-cooled reactor, the primary consideration is terminating the clad temperature excursion caused by release of the stored and decay heat in the fuel. This requires that emergency coolant injection systems reflood the reactor core.For certain break positions, the pressure loss incurred by venting steam partially offsets the hydrostatic head available to drive flow through the core. Flow oscillations can also be set up due to the fluid inertia and vapour compressibility.The present paper reports the results of an extensive series of experiments performed on unstable reflooding, covering wall temperatures up to 1000°C and reflooding rates typical of reactor values. Measurements are reported of quenching rates, oscillation frequencies and pre-quench heat transfer.It is shown, except for a short initial period of violent oscillations, that the rewetting rate and pre-quench heat transfer, for a given mass flow rate, are relatively unaffected by the presence of oscillations. The average pre-quench heat transfer coefficient is shown to vary as (water mass flow rate)ⁿ where n = 0.5–0.7, consistent with available world data.Theory and experiments also show that there is a critical value of outlet loss coefficient, for a given power level, where no further advance of the quench front can occur, the back pressure completely offsetting the available driving head for core reflooding. This value is much greater than the outlet loss coefficient for typical reactor designs, thus ensuring core reflooding. The critical loss coefficient is suggested as the relevant parameter for scaling purposes.A new theoretical model for the oscillations is derived which is shown to predict the oscillation frequencies of all available data. It is also shown that the frequency and damping are only weakly dependent on: upper plenum flow area, size of vapour space, effective inertia of water oscillating and pressure, and are independent of the outlet loss coefficient.