倾斜与摇摆条件下一体化反应堆自然循环特性研究

通过建立海洋条件下的附加力模型与控制体空间坐标求解模型,开发了基于RELAP5/MOD3.1程序的海洋条件热工水力分析程序。研究了海洋条件下一体化反应堆IP200的自然循环特性,分析倾斜与摇摆条件对自然循环的影响。计算结果表明:倾斜会降低堆芯流量,导致左右侧环路冷却剂流量不一致,影响直流蒸汽发生器的换热特性;摇摆情形下,环路的附加压降主要由切向力贡献;摇摆轴偏离中心位置以及倾斜和摇摆的叠加运动均会打破环路间的热工水力对称性,增大堆芯流量的波动幅度。     

铅铋自然循环热工水力分析程序开发

铅铋堆内冷却剂的自然循环对于反应堆的正常运行以及事故工况下的堆芯热量导出均至关重要,相关热工水力分析工作对于支持设计及安审均有重要意义。通过对铅铋堆内一回路系统内主要部件,包括堆芯、热交换器、管道等建立热工水力物理模型,开发了适用于铅铋自然循环瞬态过程模拟的热工水力分析程序,并利用铅铋自然循环回路内开展的自然循环启动实验、功率台阶影响实验等的结果进行了程序的初步验证。结果表明,程序计算得到的结果与实验结果符合较好,能够较好模拟铅铋自然循环的瞬态过程。该程序可以为铅铋堆研发过程中自然循环热工水力分析工作提供支持。     

摇摆条件下小型反应堆堆芯入口流量分配特性数值分析

为研究摇摆条件下小型反应堆强迫循环时堆芯入口处冷却剂的流量分配特性,采用数值计算的方法,使用计算流体力学（CFD）软件STAR-CCM+建立小型反应堆模型,完成模型验证,开展摇摆条件下反应堆堆芯入口流量分配特性研究。结果表明,堆芯入口位置距摇摆轴的距离越大,摇摆幅度越大,堆芯入口冷却剂流量波动越大;长周期摇摆对流量影响较小,但随着摇摆周期减小,冷却剂流量会发生跃变。堆芯入口冷却剂分布不均匀程度随摇摆幅度的增加而增加,但对摇摆周期变化并不敏感。     

海洋条件下反应堆热工水力参数的子通道计算

针对海洋条件下反应堆的子通道热工水力分析,建立了海洋运动附加力模型和瞬态入口边界,将起伏、摇摆及复合运动的附加力关系式用于子通道模型的轴向和横向动量方程,并应用到COBRAⅢC程序将其改造为适应海洋条件的反应堆子通道分析程序。作为验证,计算了加热实验通道和"奥陆"堆在起伏运动情况下热通道的临界热流密度比(CHFR)、出口空泡份额和冷却剂流量,并与文献结果对比。还详细计算了"奥陆"堆在起伏、不同摇摆中心和复合运动情况下,热通道的CHFR和不同位置子通道出口的热工水力参数。研究表明:海洋条件下反应堆的子通道热工水力参数随运动呈周期性变化;起伏运动对子通道的压降影响较大,摇摆运动对子通道冷却剂的流量和温度影响较大。     

摇摆条件下两环路自然循环回路特性分析

在海上小型堆设计中,需要考虑海洋运动条件对热工水力特性的影响。本文建立了海洋运动条件下的附加惯性力模型,并将该模型应用于RELAP/SCDAP程序中,得到了适用于海洋运动条件下的系统分析程序,利用修改后的RELAP5程序,分析了在摇摆条件下自然循环回路的热工水力特性。分析结果表明,摇摆条件下,自然循环回路的平均流量小于静止条件下的自然循环流量,环路流量波动滞后于横摇运动,冷却水温波动滞后于环路流量波动,摇摆幅值越大,频率越高,流量波动幅值越大。当摇摆较剧烈时,环路上出现倒流现象。增加加热功率或提高冷热源之间高度差可增加系统的自然循环驱动力,减小横摇运动对自然循环的影响。     

横摇运动下铅铋回路热工水力特性数值研究

为研究横摇运动下铅铋回路系统热工水力特性，利用商用CFD软件开发了铅铋回路系统的计算模型以及横摇运动的计算方法，并采用实验数据对数值计算结果进行了验证，其中，横摇运动流量的最大偏差在3%以内。计算结果表明，横摇运动会使回路系统的自然循环流量发生周期性波动，流量波动的周期与运动周期一致，波动的幅度会随着横摇运动最大幅度的增大、运动周期的减小而增大，在最大摇摆角20°摇摆周期7.5 s工况下流量的瞬时波动最大达到了140%,并在一些时刻产生倒流现象。横摇运动也会让系统的流动和传热特性参数发生周期性的瞬时波动，这种波动的规律与自然循环流量的波动规律相似，其中Nu的最大瞬时波动达到了515%,最大时均波动可达66%。本研究获得的结果对横摇运动下的铅铋回路系统设计优化具有重要的工程应用价值和科学意义。     

车载运动条件下铅铋堆LESMOR热工安全特性分析

本文基于车载运动条件下非惯性系动量方程推导,建立运动条件附加力模型,并运用铅铋快堆瞬态热工水力分析程序LETHAC展开车载铅铋快堆LESMOR系统运动条件热工安全特性分析。研究表明,坡道行驶、垂直振动、俯仰振动及垂直耦合俯仰振动运动条件下,系统自然循环流量显著下降,但不超过30%;包壳和燃料温度上升,但不超过4℃,最高分别达411.3、442.4℃,远低于瞬态运行安全限值。LESMOR系统在汽车正常行驶和可能出现的极限行驶范围内都能保持稳定安全运行。本文提供车载运动条件下反应堆系统热工安全特性分析方法,具有一定的参考意义。     

海洋运动对自然循环流动影响的理论分析

以一体化全功率自然循环反应堆模拟实验回路为物理原型,建立了非惯性系下自然循环流动理论分析模型。分别计算了稳态、横摇、纵摇、横倾、纵倾、起伏以及复合运动条件下满功率的自然循环流动,分析了附加惯性力对流体作用的机理。结果表明,摇摆附加惯性力引起各段流体波动,但不是导致堆芯流量波动的直接原因;起伏改变驱动压头大小,各段流量波动一致;倾斜工况下,不同空间位置的流道流量变化不同,堆芯流速下降。     

基于RELAP5的运动条件下并联双通道流动不稳定性研究

随着船用核动力装置的广泛应用,运动条件引起的热工水力现象逐渐受到重视。反应堆堆芯内存在大量并联通道,通过在RELAP5程序的动量方程源项中添加运动条件引起的附加力,开展了倾斜、起伏及摇摆等典型单一运动条件及其耦合运动条件下的并联双通道在强迫循环下的流动不稳定性研究。对比了静止条件及不同运动条件下的不稳定性边界曲线,结果表明,强迫循环下运动条件对并联通道流动不稳定性的影响较小。相同过冷度数下,运动条件与静止条件的相变数差别在2%以下。     

简谐海洋条件下自然循环运行特性

基于两相漂移流模型建立简谐海洋条件下核动力装置自然循环理论分析模型;采用两群三维时空中子动力学模型描述堆芯中子的物理行为及控制棒调节系统的响应;利用研制的程序对核动力装置在摇摆条件下的自然循环运行特性及强迫循环向自然循环转换的过渡过程进行研究.结果表明:摇摆周期越小,影响越大;摇摆振幅越大,影响越大;相同摇摆周期与摇摆振幅条件下,纵摇对自然循环运行影响大;纵摇时,参数波动周期与摇摆周期相符,横摇时,参数波动周期为摇摆周期的一半;海洋条件引起过大的堆芯自然循环流量波动可造成功率自动调节控制棒的频繁动作,无法平稳实现强迫循环向自然循环的转换.     

摇摆运动下单相自然循环核热耦合特性研究

采用考虑6组缓发中子的点堆中子动力学模型,开发了核反馈模拟模块,并将之与摇摆条件下单相自然循环热工水力计算模型进行合并,基于Matlab软件编制了相应的计算程序,实现了摇摆条件下单相自然循环核热耦合的模拟计算。计算结果表明：摇摆条件下,与不考虑核反馈相比,考虑核反馈后核热耦合效应使系统流量降低,系统功率产生波动;系统功率的平均值随摇摆频率及振幅的增大而降低,而系统功率的振幅则随摇摆周期及振幅的增大而增大。核热耦合效应使燃料元件温度的波动振幅减小,起到了抑制燃料温度波动的作用。     

Natural circulation characteristics of a marine reactor in rolling motion and heat transfer in the core

A series of single-phase natural circulation tests in a model reactor with rolling motion was performed in order to investigate effects of the rolling motion on its thermal-hydraulic behavior. The loop flow rate in each leg changes cyclically with the rolling angle due to the inertial force of the rolling motion. As the rolling period becomes shorter, the amplitude of the loop flow rate oscillations becomes larger, and the phase lag between the rolling angle and loop flow rate oscillations becomes larger. On the other hand, the core flow rate does not oscillate, though its value changes with the rolling period. Its change correlates well with both the Reynolds number for rolling motion and the Rayleigh number, and it is considered to be caused by the change of the thermal driving head and the pressure loss through the loop. In order to simulate core flow rate change with the rolling period, a simple one-dimensional analytical model was proposed, and its verification was demonstrated. Heat transfer in the core is enhanced by the rolling motion and the enhancement is thought to be caused by the internal flow due to the rolling motion. Heat transfer coefficient in the core is well correlated with the Richardson number for rolling motion and is classified into three regimes.     

Flow characteristic of single-phase natural circulation under ocean motions

Natural circulation is widely used in nuclear reactor systems as the passive safety system. With the development of the floating nuclear power plant (FNPP), researchers should pay more attention to flow and heat transfer characteristics for the natural circulation under ocean conditions for the safety of FNPP. In this paper, the flow characteristics in a single-phase natural circulation system were investigated and the effects of heaving, rolling and coupled motions were analyzed. The oscillation amplitude of flow rate increases with the increase of period in a certain range and maximum acceleration under heaving motions. With the increase of oscillation intensity (higher frequency and larger maximum rolling angle), the oscillation amplitude increases and the average flow rate decreases under rolling motions. Moreover, the lateral displacement of rolling center changes the oscillation period and induces larger amplitude oscillations. The flow characteristic becomes more complex when the system is subjected to coupled motions. The oscillation period is the least common multiple of two motions’ periods. The oscillation induced by coupled motions makes the system more unstable than that induced by an individual motion. The potential superposition effect exists under coupled motions and needs to be addressed for the operation safety.     

摇摆运动下矩形窄通道内摩擦压降特性研究

以水为工质,进行了摇摆运动下矩形窄通道内单相与流动沸腾阻力实验,获得了摇摆运动下瞬态压降波动规律,并对摇摆运动影响压降波动的机理进行了分析。摇摆运动使摩擦压降产生周期性波动,单相流动时,随系统流量、工质温度的升高,摇摆对压降波动的影响越发减弱;流动沸腾时,摇摆运动通过改变系统空间位置使压降呈明显的周期性波动,其波动幅度随出口含气率、系统流量、摇摆周期和角度的增大而增大,随系统压力的增大而减小。     

倾斜和摇摆状态下矩形通道内泡状流局部参数特性研究

在倾斜和摇摆条件下,对矩形通道(40mm×3mm)内泡状流的局部参数分布特性进行了研究。竖直条件下,"核峰"和"壁峰"分布形式在实验中都有出现;在液相折算速度较小和气相折算速度较大的工况下,局部参数呈现"核峰"分布。倾斜条件下,通道上方的峰值随倾斜程度的增加而变大,而通道下方的峰值随倾斜程度的增大而减弱,直至消失。摇摆条件下,当摇摆角度与倾斜角度相同且逐渐增加时,局部参数的分布主要体现在通道上方峰值的增加,但不改变出现峰值的位置,相应地,通道下方的峰值略有减少。不同摇摆工况下,摇摆振幅越大,摇摆运动的程度越剧烈,其对相同倾斜角度的峰值的影响也越大。     

倾斜及摇摆条件下窄通道内汽泡密度变化研究

通过可视化方法研究了窄通道内发生过冷沸腾时汽泡密度在摇摆与倾斜工况下的变化。图像统计结果表明：在摇摆过程中,汽泡密度呈周期性波动。通过数据对比发现：随着摇摆周期的减小,汽泡密度波动幅值逐渐增大,但波动形式无明显变化;随着摇摆角度的增加,汽泡密度有所下降,但波动形式不变。正角倾斜时,汽泡密度随角度的增大而逐渐减少;负角倾斜时,随角度的增加汽泡密度出现先减后增的现象。摇摆条件下最大角度处汽泡密度与对应角度下倾斜时的汽泡密度接近。     

摇摆对矩形窄通道内单相水流动特性的影响

常温常压下,实验研究摇摆对矩形窄通道内单相水流动特性的影响。结果表明,驱动压头较低时,雷诺数及摩阻系数呈周期性波动,摇摆越剧烈,波动幅度越大;驱动压头较高时,雷诺数周期性波动不明显,摩阻系数波动幅度减小。出口通大气的实验段,摇摆振幅对摩阻系数波动幅值及波形均有影响,摇摆周期只影响摩阻系数波动幅值。摇摆运动对流动特性的影响随雷诺数的增加而减弱。摇摆对矩形窄通道内单相水平均摩阻特性没有明显影响。     

Study on Two-phase Flow in Fluid Channel of Lead-based Fast Reactor Based on OpenFOAM

In order to study the thermal-hydraulic characteristics of two-phase flow caused by the special thermal properties of lead/lead-bismuth in lead-based fast reactors, the influence of bubble in fluid channel on the heat transfer capacity and safety of the core was simulated. In this paper the open source CFD calculation software OpenFOAM was adopted, and the numerical simulation was applied based on VOF method to construct a common triangular channel model in lead-based fast reactor. By simulating the two-phase flow of the coolant channel, it is found that as the flow rate increases, the outlet temperature of the coolant decreases. In the flow process of the gas-liquid two-phase flow in the channel, it can be found that the gas phase basically flows inside the channel. In the simulation of the fuel assembly, the corner channel is an area with a large amount of bubbles, which will cause the local heat transfer to deteriorate and cause the fuel assembly to burn out.