第5章 核反应堆流体力学 核工程原理课件

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1、第5章 核反应堆流体力学l计算机科学与技术l第7周，周三7-8节，3-4045.1 冷却剂单相流动反应堆堆芯内燃料释放出的热量，要 由冷却剂带出堆外。堆芯燃料允许的释热率与 冷却剂的流 动 特性密切相关。定性分析如下：当冷却剂的流速相应的对流换热系数就会燃料的释热率随之可能但流速提高后，通道的流动阻力带来的结果是冷却剂泵的功率需要 因此，在反应堆热工分析中，不仅要 弄清堆芯内的传热问题，还要弄清与堆芯 内冷却剂流动有关的流体力学问题。反应堆稳态水力计算一般包括：冷却剂的压降计算自然循环的计算流动不稳定性的确定（1）冷却剂的压降计算压降的计算内容冷却剂流经反应 堆的沿程阻力损失、局部阻力损失堆芯

2、压降的计算可以确定冷却剂 通道内的流量和焓升。堆芯设计计算使各通道的焓升与 冷却剂流量相匹配，以保证最大限度地输 出堆内的释热量。通过回路系统的水力计算可以确 定一回路系统的管路及部件的尺寸，确定 冷却剂泵的功率。（2）自然循环的计算反应堆自然循环能力的提高，对提高反 应堆的安全性有很大影响，目前各国都为提 高反应堆的自然循环能力寻求新的方法。对船用反应堆，提高自然循环的能力更 有特殊的意义，表现在两个方面：提高核动力的安全性；降低核动力装置的噪音。自然循环过程中流动阻力的计算、自然 循环流量的确定等，都需要水力计算来完成 。（3）流动不稳定性的确定在堆芯内，为什么会出现流量漂移或流 动振荡等

3、流动不稳定性问题？流动不稳定性对反应堆产生什么后果？通过水力计算，以达到什么目的？l在堆芯内，由于冷却剂被加热并可能产生两 相流动，因此会出现流量漂移或流动振荡等 流动不稳定性问题。l流动不稳定性对反应堆安全有很大影响。l通过水力计算，可确定堆芯通道内的流动特 性，以确定改善和消除流动不稳定性的方法 。5.1.1 单相流基本方程（1）在反应堆的水力计算中，经常遇到的流 动计算问题及其处理方法？ （2）实际问题如何转化？所计算的流动参数基本都可以根据一 维的流动方程得到解，或者将两维或者三 维的问题简化为一维的问题。5.1.1 单相流基本方程（3）常用的单相流体的一维流动基本方程有 ：质量守恒方

4、程动量守恒方程能量守恒方程5.1.2 单相流沿程阻力计算当流体通过一个管路系统时，1和2两个截面 之间的总压降可写成pl,e 重位压降重位压降是流体流动过程中位置发生变化引 起的，因此只有当计算的两个截面之间有一定的 垂直高度差时才会出现。重位压降的一般表达式：对于单相水，有5.1.2 单相流沿程阻力计算pa 加速压降，表示由于流体速度变化引起的 静压变化，例如流体密度的变化和流通截面的变 化引起的速度变化等； pf摩擦压降 pc局部压降 5.2 气-水两相流 5.2.1 两相流的基本概念在反应堆内，水被加热产生沸腾，形 成两相流动。这一过程中的许多两相流特 征，对水冷堆的工作过程都有重要影响

5、。气体和液体都是流体，当它们单独流 动时，其流动规律基本相同。但是，它们 共同流动时与单独流动有许多不同之处。5.2 气-水两相流 5.2.1 两相流的基本概念在气-液两相流动中，两相介质都是流 体，各自都有相应的流动参数。另外，由 于两相介质之间的相互作用，还出现了一 些相互关联的参数。为了便于两相流计算和实验数据处理 ，还常常使用折算参数(或称虚拟参数)。 这使得两相流的参数比单相流复杂得多。知识扩充l在物理化学中，相是指一个宏观物理系统 所具有的一组状态，也通称为物态。处于 一个相中的物质拥有单纯的化学组成和物 理特性（如密度等）。最常见的物质状态 有固态、液态和气态，俗称“物质三态”。

6、 5.2.2 两相流的基本方程计算方法与单相流相比，两相流不仅变量多， 而且变量之间的关系复杂。在两相流场中 ，某时间域内，空间任一位置上表现出不 均匀性、不连续性及不确定性。原则上， 仍可以运用流体力学的基本分析方法建立 分析两相流动的计算关系。从现有的两相流计算方法看，可以分 为两大类：l（1）分相流模型分相流模型是把两相流看成是分开 的两股流体流动，把两相分别按单相流处 理，并考虑两相之间的相互作用，然后将 各相的方程加以合并。这种处理两相流的 方法通常称为分相流动模型。这种模型适用类型：层状流型、波状流型、环状流型l（2）均相流模型均相流模型是一种最简单的模型分析 方法，其基本思想是通

7、过合理地定义 两相混合物的平均值，把两相流当做具有 这种平均特性、遵守单相流基本方程的均 匀介质。这种模型实际上是单相流体力学的拓 延。这种模型的基本假设是：两相流具有 相等的速度，两相之间处于热力学平衡状 态，可使用合理确定的单相摩阻系数表征 两相流动。5.3 临界流动l（1）概念导入在一个充满流体的系统中，如果上游 压力为P0，背压为pb，当背压Pb下降到低于 P0时，流动就开始了，并在上游压力P0与背 压Pb之间建立起一个压力梯度。当Pb进一步 降低时，流量增加，如果Pb降低得足够多， 会使通道出口处的质量流量达到最大值。背压Pb的进一步降低不再会使质量流 量增加。把这种流量保持最大值的

8、流动叫 临界流动。 质量流量和质量流速两相流的总质量流量为M，它表示单位 时间流过某一流道横截面的气-液混合物的 总质量，单位?每一相的质量流量与总质量流量的关 系为：M= M + M流道单位截面通过的质量流量，称为 质量流速，或质量流密度，单位? G = M/Al（2）临界流动定义当系统的某一部分流动时，流量不受 下游压力变化的影响。在气体动力学中，已对这种临界流动 现象进行了充分研究，发展了一套完善的理 论和计算方法。实验证明，两相流动也存在上述临界流 现象，但两相流的临界流比单相临界流复杂 得多，这是由于两相流体是不连续的，在两 相流中压力波的传递受到两相界面的阻尼， 其传递方式与在单相

9、介质中不同。 知识扩展l阻尼（damping）是指任何振动系统在振动 中，由于外界作用或系统本身固有的原因 引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及这 一特性的量化表征。 l（3）临界流动对核动力装置的安全影响两相临界流动对于核动力装置的安全分 析是很重要的。在堆冷却系统出现各类破口 事故时，高温高压的冷却剂从大约15MPa的 压强下降到大气压附近，会引起冷却剂的突 然汽化和两相流动。大破口事故会导致冷却剂迅速丧失，使 活性区暴露在蒸汽环境中。上述的流动过程 中，破口处的流动处于临界流状态。研究这 一过程的临界流量与系统内其他参数的关系 ，对分析破口事故的影响有重要意义。5.4 两相流动不稳定性 5

10、.4.1 流动不稳定性的基本概念 5.4.1.1 流动不稳定性 （1）概念上分类l静态流动不稳定性 l动态流动不稳定性 （2）静态流动不稳定性定义对于一个稳定的流动系统，其参数仅 是空间变量的函数，与时间变量无关。实 际上，在两相流动系统中，流动参数往往 因湍流、成核汽化或流型改变而发生小的 起伏或脉动。5.4 两相流动不稳定性 5.4.1 流动不稳定性的基本概念 5.4.1.1 流动不稳定性 （2）静态流动不稳定性这种脉动，在一定条件下可能是触发 某些不稳定性的驱动因素。当两相流动状 态经受瞬间扰动时，若它能从新的运行状 态又渐渐地恢复到初始的运行状态，这就 是稳定流动；若它不能恢复到初始的

11、稳定 状态，而是稳定于新状态，或具有周期性 ，这种流动工况称为静态流动不稳定性。（3）动态流动不稳定性的定义在两相流动系统中，当经受某一瞬间 扰动时，如果在流动惯性和其他反馈效应 作用下，产生了流动振荡而不能稳定在某 一状态，则这种特性称为动态流动不稳定 。 （4）两相流动系统的不稳定性定义：在一个系统中，由于小的扰 动引起流量、压降和空泡份额大幅度振荡 。危害：如果在传热、空泡、流动方 式和流速之间存在热力学-水动力学耦合， 流动的振荡会加剧。即使在热源保持恒定 时，也会发生振荡。流动不稳定性的存在 ，会对反应堆正常运行带来很大的危害。5.4.1.2 流动不稳定性的种类流动不稳定性有很多种，

12、几种常见的 流动不稳定性有： （1）流型变迁不稳定性 （2）起泡不稳定性起泡不稳定性指的是液相突然汽化， 使气-水混合物的密度迅速下降所引起的瞬 间不稳定性。它直接依赖于液体的物性、系统的几 何形状以及受热面条件。（3）平行通道的管间脉动管间脉动是平行的加热管道中气-水两 相流的不稳定现象。管间脉动是在并列通道进出口之间压 差基本不变、总的给水量和蒸发量不变的 情况下，并列通道之间所产生的周期性的 流量波动。特点：并列通道中的一些通道的流量 增大时，另一些通道的流量减小，并做周 期性的变化； （4）关于脉动的几个概念脉动的振幅：脉动时最大流量与平均流 量之差；脉动的周期：而两个相邻的最大流量之

13、 间的时间。脉动的振幅和周期越大，则并联通道中 工质流动的不稳定性越大。5.4.2 流量漂移不稳定性流量漂移是加热通道内气-水两相流中 最常见的流动不稳定性之一，属静态不稳 定性范围。特点：系统内的流量会发生突然性变 化。当系统内存在着阻力随着流量的增加 而下降的关系时，就可能出现这种不稳定 性。5.5 自然循环（1）定义自然循环是指在一个闭合的回路 内，在没有外部驱动力的作用下，依 靠回路冷、热段的密度差，和冷、热 源中心的高度差产生的循环。5.5 自然循环（2）反应堆中自然循环的形成对压水堆冷却系统，反应堆是一个热 源，一般都放在比较低的位置；蒸汽发生 器相当于主冷却系统的散热器，它一般都 放在比较高的位置。从反应堆流出的冷却 剂温度较高，密度较小；从蒸汽发生器流 出的冷却剂温度较低，密度较大。这样， 在蒸汽发生器与反应堆之间的高度差、冷 、热段密度差的作用下，冷却剂就会产生 自然循环。5.5 自然循环（3）驱动压力设上升段的密度为 up，下降段的密度 为down，则自然循 环的驱动压力为：