1、核科学与技术学院核科学与技术学院核科学与技术学院核科学与技术学院第四章堆内流体的流动过程及水力分析第四章堆内流体的流动过程及水力分析核科学与技术学院核科学与技术学院确定堆芯冷却剂确定堆芯冷却剂流量分布、回路流量分布、回路管道部件尺寸、管道部件尺寸、冷却剂循环泵所冷却剂循环泵所需唧送功率需唧送功率确定在一定反应确定在一定反应堆功率下的自然堆功率下的自然循环水流量和堆循环水流量和堆的自然循环输热的自然循环输热能力能力在可能发生漂移在可能发生漂移流或流量振荡的流或流量振荡的情况下，弄清流情况下，弄清流动不稳定性质，动不稳定性质，寻求改善或抑制寻求改善或抑制流动不稳定性的流动不稳定性的方法方法水水 力
2、力 分分 析析 包包 括：括： 分析计算冷却分析计算冷却剂的流动压降剂的流动压降 确定自然循环确定自然循环输热能力输热能力 分析系统的流分析系统的流动稳定性动稳定性核科学与技术学院核科学与技术学院4.1 4.1 单相流体的流动压降单相流体的流动压降12acelfppppppp 系统压降计算式：系统压降计算式：摩擦压降摩擦压降提升压降提升压降加速压降加速压降摩擦压降摩擦压降形阻压降形阻压降 流体自截面流体自截面1 1至截面至截面2 2时由时由流体位能改变流体位能改变而引起的压力而引起的压力变化变化 因流体速因流体速度变化而引度变化而引起的压力变起的压力变化化 流体沿等流体沿等截面直通道流截面直通
3、道流动时由沿程摩动时由沿程摩阻力的作用而阻力的作用而引起的压力损引起的压力损失失 流体流过流体流过有急剧变化的有急剧变化的固体边界所出固体边界所出现的集中压力现的集中压力损失损失核科学与技术学院核科学与技术学院4.1 4.1 单相流体的流动压降单相流体的流动压降12acelfppppppp 系统压降计算式：系统压降计算式：摩擦压降摩擦压降提升压降提升压降加速压降加速压降摩擦压降摩擦压降形阻压降形阻压降 流体自截面流体自截面1 1至截面至截面2 2时由时由流体位能改变流体位能改变而引起的压力而引起的压力变化变化 因流体速因流体速度变化而引度变化而引起的压力变起的压力变化化 流体沿等流体沿等截面直
4、通道截面直通道流动时由沿流动时由沿程摩阻力的程摩阻力的作用而引起作用而引起的压力损失的压力损失 流体流过流体流过有急剧变化的有急剧变化的固体边界所出固体边界所出现的集中压力现的集中压力损失损失核科学与技术学院核科学与技术学院4.1 4.1 单相流体的流动压降单相流体的流动压降12acelfppppppp 系统压降计算式：系统压降计算式：摩擦压降摩擦压降提升压降提升压降加速压降加速压降摩擦压降摩擦压降形阻压降形阻压降 流体自截面流体自截面1 1至截面至截面2 2时由时由流体位能改变流体位能改变而引起的压力而引起的压力变化变化 因流体速因流体速度变化而引度变化而引起的压力变起的压力变化化 流体沿等
5、流体沿等截面直通道截面直通道流动时由沿流动时由沿程摩阻力的程摩阻力的作用而引起作用而引起的压力损失的压力损失 流体流过流体流过有急剧变化的有急剧变化的固体边界所出固体边界所出现的集中压力现的集中压力损失损失核科学与技术学院核科学与技术学院4.1 4.1 单相流体的流动压降单相流体的流动压降12acelfppppppp 系统压降计算式：系统压降计算式：摩擦压降摩擦压降提升压降提升压降加速压降加速压降摩擦压降摩擦压降形阻压降形阻压降 流体自截面流体自截面1 1至截面至截面2 2时由时由流体位能改变流体位能改变而引起的压力而引起的压力变化变化 因流体速因流体速度变化而引起度变化而引起的压力变化的压力
6、变化 流体沿等流体沿等截面直通道流截面直通道流动时由沿程摩动时由沿程摩阻力的作用而阻力的作用而引起的压力损引起的压力损失失 流体流过流体流过有急剧变化的有急剧变化的固体边界所出固体边界所出现的集中压力现的集中压力损失损失核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降21sin dzzelgLp21()elpg zz核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降22efLVfDp达西公式适用于达西公式适用于层流
7、和湍流层流和湍流，把沿程摩擦压降，把沿程摩擦压降的计算问题转化为确定沿程摩擦系数的问题的计算问题转化为确定沿程摩擦系数的问题核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降圆形通道圆形通道6464ReeDVfRenfC核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降圆形通道圆形通道0.25680.11RefD核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压
8、降加速压降加速压降形阻压降形阻压降非圆形通道非圆形通道核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降nwnoisofff对于对于p=10.34p=10.3413.79MPa13.79MPa的水的水n=0.6 n=0.6 核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降eL40eLD0.0288ReeLD核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加
9、速压降加速压降形阻压降形阻压降21 dVVaVVp21()G VV等截面等截面核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降21 dVVaVVp21()G VV等截面等截面核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降截面突然扩大截面突然扩大2221112122221211AAWppVAAAA A即流体在面积扩大的情况下将产生一个负的压降即流体在面积扩大的情况下将产生一个负的压降12AA12pp因为因为，得：
10、，得：核科学与技术学院核科学与技术学院截面突然缩小截面突然缩小4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降2122221110.7WppAA即流体在截面突然缩小时将导致流体静压力的下降即流体在截面突然缩小时将导致流体静压力的下降21AA21pp因为因为，得：，得：2,2c cVpK式中的形阻系数式中的形阻系数K由实验测定由实验测定弯管、接管与阀门弯管、接管与阀门核科学与技术学院核科学与技术学院燃料组件定位件燃料组件定位件4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降定位
11、件的形式粗略分为两类定位件的形式粗略分为两类：u 不同几何性状的横向定位架不同几何性状的横向定位架u 缠绕在单棒上的螺旋形定位丝缠绕在单棒上的螺旋形定位丝核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降u 不同几何性状的横向定位架不同几何性状的横向定位架u 缠绕在单棒上的螺旋形定位丝缠绕在单棒上的螺旋形定位丝计算定位架形阻压降采用计算定位架形阻压降采用Rehme推荐的经验公式：推荐的经验公式： 22222bbgddgdVVpKK计算计算用定位丝作定位件的棒束组件的摩擦压力公式用定位丝作定位件的棒束组件的
12、摩擦压力公式: 2,2bef ssteUVLpfUD系数系数 为棒束组件中雷诺数为棒束组件中雷诺数 的函数的函数dKReb修正摩擦系数修正摩擦系数核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.1 1.1 液体冷却剂液体冷却剂提升压降提升压降摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降形阻压降形阻压降u 缠绕在单棒上的螺旋形定位丝缠绕在单棒上的螺旋形定位丝2.1620.527.6esnVpdpVdtd222/()4nsGVBddnsf修正摩擦系数修正摩擦系数 用修正雷诺数计算，其方程为：用修正雷诺数计算，其方程为：0.133640.0816ReResssf Re/seeV D式中式中:nV是棒束组件中冷却剂的
13、名义流速，其计算公式为：是棒束组件中冷却剂的名义流速，其计算公式为： 有效流速有效流速 由下列公式求得：由下列公式求得：eV核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.2 1.2 气体冷却剂气体冷却剂22ln122ln2exinininexeexinexexinineexTTRTLpppGfDTpppTTGLpfDTp摩擦压降摩擦压降加速压降加速压降加速压降加速压降温度升高温度升高压力降低压力降低核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.1.2 1.2 气体冷却剂气体冷却剂222211222cVVVppK核科学与技术学院核科学与技术学院4.2 4.2 两相流体的流动压降两相流体的流动压降核科学与
14、技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数泡泡 状状 流流弹弹 状状 流流环环 状状 流流滴滴 状状 流流发生在发生在过冷过冷沸腾沸腾区和饱区和饱和沸腾和沸腾低含低含汽量汽量区区核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数发生在饱和发生在饱和沸腾沸腾中等含中等含汽量汽量区区泡泡 状状 流流弹弹 状状 流流环环 状状 流流滴滴 状状 流流核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数泡泡 状状 流流弹弹
15、 状状 流流环环 状状 流流滴滴 状状 流流发生在发生在饱和饱和沸腾高含汽沸腾高含汽量量区区核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数泡泡 状状 流流弹弹 状状 流流环环 状状 流流滴滴 状状 流流发生在发生在过冷过冷的稳定膜态的稳定膜态沸腾沸腾区区核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数泡泡 状状 流流弹弹 状状 流流环环 状状 流流滴滴 状状 流流核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数2ggsV2ffsV其中，其中， 和和 分别表示汽相和液分别表示汽相和液相的
16、折合速度相的折合速度gsVfsV和和在汽相流速较大和液相流速较小时，将出现在汽相流速较大和液相流速较小时，将出现环状流型环状流型若汽相流速很小和液相流速较大时，将出现若汽相流速很小和液相流速较大时，将出现泡状流型泡状流型 从图中可见：从图中可见：折合速度折合速度是指当两相混合物中的是指当两相混合物中的任一相作为单独流过整个管道截任一相作为单独流过整个管道截面时的速度面时的速度流型存在的大致范围流型存在的大致范围核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数sx 汽汽液液混混合合物物内内蒸蒸汽汽的的质质量量汽汽液液混混合合物物的的总总质质量量u 静态含汽量静
17、态含汽量对于如右图所示对于如右图所示: : ggsffgffgAAxAAAA ggggzzz它适用于它适用于不流动的不流动的系统或系统或汽汽液两相平均流速相同液两相平均流速相同的系统的系统核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数u 流动含汽量流动含汽量对分析对分析过冷沸腾过冷沸腾和和烧干后的烧干后的工况工况十分有用，此时汽液两十分有用，此时汽液两相间处于相间处于热力学不平衡状态热力学不平衡状态x 蒸蒸汽汽的的质质量量流流量量汽汽液液混混合合物物的的总总质质量量流流量量gggfffggV AxV AV Ag上式又可以写成：上式又可以写成：u 平衡态含汽
18、量平衡态含汽量fsefghhxh若汽液两相处于热力学平衡状态，则：若汽液两相处于热力学平衡状态，则： 是饱和液体的比焓是饱和液体的比焓 fsh 是汽化潜热是汽化潜热fgh式中：式中： 是汽液两相混合物的比焓是汽液两相混合物的比焓 h核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数gfgUUUddgAgggfAzAAAAAAzA空泡份额为蒸汽的体积与汽液混合物总体积的比值：空泡份额为蒸汽的体积与汽液混合物总体积的比值：对于长度为对于长度为 的微元段，其数学表达式为：的微元段，其数学表达式为：z/1ffgfggAxSVVx A滑速比滑速比是指蒸汽的平均速度是指蒸
19、汽的平均速度 与液体的平均速度与液体的平均速度 之比之比gVfV核科学与技术学院核科学与技术学院对于静止系统，它们三者之间的关系为对于静止系统，它们三者之间的关系为 ： (1)sgsgfx vx vx v4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数对于流动系统：对于流动系统：1fgggffAVxAVx（3 3）（1 1）/ /（2 2），得：），得：(1)tfffx WA V（1 1）tgggxWA V（2 2）核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数111fgvxSxv将式（将式（3 3）代入，得：）代入，得：11gfgfgAAAAA又又
20、上式表明：在压力和含汽量保持不变的情况上式表明：在压力和含汽量保持不变的情况 下，下，a a值将随着值将随着S S的的增加而减小增加而减小核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数高过冷沸腾区高过冷沸腾区低过冷沸腾区低过冷沸腾区饱和沸腾区饱和沸腾区汽泡跃离点汽泡跃离点过冷沸腾终点过冷沸腾终点核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数高过冷沸腾区高过冷沸腾区低过冷沸腾区低过冷沸腾区饱和沸腾区饱和沸腾区汽泡跃离点汽泡跃离点过冷沸腾终点过冷沸腾终点 高过冷沸腾区高过冷沸腾区液体主流高度过液体主流高度过冷，气泡在加热冷
21、，气泡在加热面以起沫方式生面以起沫方式生成，很稀疏并贴成，很稀疏并贴附在壁面上，一附在壁面上，一般不渗透到主流般不渗透到主流中，空泡的影响中，空泡的影响一般可不计一般可不计核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数高过冷沸腾区高过冷沸腾区低过冷沸腾区低过冷沸腾区饱和沸腾区饱和沸腾区汽泡跃离点汽泡跃离点过冷沸腾终点过冷沸腾终点 低过冷沸腾区低过冷沸腾区过冷沸腾充分发过冷沸腾充分发展，气泡的作用展，气泡的作用明显，在主流中明显，在主流中存在明显的汽泡存在明显的汽泡流，表现出典型流，表现出典型的两相流特征的两相流特征过冷沸腾特征：过冷沸腾特征：通道任一截面处
22、的汽通道任一截面处的汽液两相处于热力学不平衡状态，液体液两相处于热力学不平衡状态，液体的温度低于系统压力的饱和温度的温度低于系统压力的饱和温度核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数高过冷沸腾区高过冷沸腾区低过冷沸腾区低过冷沸腾区饱和沸腾区饱和沸腾区汽泡跃离点汽泡跃离点过冷沸腾终点过冷沸腾终点 饱和沸腾区饱和沸腾区按平衡态模型，按平衡态模型，它应该从它应该从S S点开点开始。按非平衡态始。按非平衡态模型，它应该从模型，它应该从E E点开始。汽液点开始。汽液两相均处于饱和两相均处于饱和状态，加热量全状态，加热量全部用于生成汽泡部用于生成汽泡核科学与技术
23、学院核科学与技术学院通常认为汽泡跃离壁面是当流体到达某一临界过冷焓的情况下发生的。通常认为汽泡跃离壁面是当流体到达某一临界过冷焓的情况下发生的。朱 伯 （朱 伯 （ Z u b e rZ u b e r ） 和 萨 哈 （） 和 萨 哈 （ S a h aS a h a ） 分 析 了 大 量 实 验分 析 了 大 量 实 验数据，在均匀加热的情况下，得到：数据，在均匀加热的情况下，得到： ,70000ep ffGD cPek,0.0022ep ffsdfqD chhk154fsdqhhG当当时：时：4.4.2.1 2.1 流型和基本参数流型和基本参数70000Pe 当当时：时：已知已知hdh
24、d后，根据流体沿加热通道得到的热量等于流体的焓升的热平衡方程：后，根据流体沿加热通道得到的热量等于流体的焓升的热平衡方程： ()()hdindinq P zzGA hh由此，可求得气泡跃离店由此，可求得气泡跃离店D D的轴向位置的轴向位置ZdZd 核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.2 2.2 流动压降流动压降对于两相流，特别是沸腾两相流，其流动结构和参数不仅沿通道的对于两相流，特别是沸腾两相流，其流动结构和参数不仅沿通道的轴向轴向和和横截面积横截面积有变化，还是有变化，还是时间时间的函数的函数 假设两相均匀混合，把假设两相均匀混合，把两相流动看作为某一个两相流动看作为某一个具有假想物
25、性的单相流具有假想物性的单相流动，该假想物性与每一动，该假想物性与每一个相的流体的特性有关个相的流体的特性有关 假设两相完全分开，把假设两相完全分开，把两相流动看作为各相分两相流动看作为各相分开的单独流动，并考虑开的单独流动，并考虑相间的作用相间的作用均均 匀匀 流流 模模 型型分分 离离 流流 模模 型型核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.2 2.2 流动压降流动压降u 蒸汽和液体所占据的通道流通面积之和等于通道的总流面积蒸汽和液体所占据的通道流通面积之和等于通道的总流面积u两相分开流动，各相均与通道壁两相分开流动，各相均与通道壁面接触，两相间有一公共分界面面接触，两相间有一公共分界
26、面u 两相间存在质量交换两相间存在质量交换u 流动是稳定的，在垂直于流动方向的任一截面上，两相均具流动是稳定的，在垂直于流动方向的任一截面上，两相均具 有各自的平均流速和平均密度，各点的压力相等有各自的平均流速和平均密度，各点的压力相等以分离流模型为例，需作如下的假定：以分离流模型为例，需作如下的假定：沿等截面直通道的流动压降沿等截面直通道的流动压降核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.2 2.2 流动压降流动压降u 汽相和液相的流速相等汽相和液相的流速相等u 两相间处于热力学平衡状态两相间处于热力学平衡状态u 使用规定得恰当的经验摩擦系数使用规定得恰当的经验摩擦系数建立均匀流模型两相压
27、降表达式的前提是：建立均匀流模型两相压降表达式的前提是：适合于分析适合于分析泡状泡状流流和和滴状流滴状流，在，在流速大压力高时流速大压力高时较好较好两相摩擦压降倍数两相摩擦压降倍数 两相摩擦压降梯度的表达式为：两相摩擦压降梯度的表达式为： 0.25011 fgfgeefffsgsvdpdpxxdzdzv0/fdp dz ：把整个流体当作液体时由把整个流体当作液体时由fanningfanning方程算得的全液方程算得的全液相压降梯度相压降梯度核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.2 2.2 流动压降流动压降两相摩擦压降倍数两相摩擦压降倍数 两相摩擦压降梯度的表达式可改写为：两相摩擦压降梯度
28、的表达式可改写为： 200 fffdpdpdzdz即为两相摩擦压降倍数即为两相摩擦压降倍数20f0.252011fgfgfeefsgsvxxv建立分离流模型两相压降表达式的前提是：建立分离流模型两相压降表达式的前提是：u 汽相和液相的流速不相等；汽相和液相的流速不相等；u 两相间处于热力学平衡状态；两相间处于热力学平衡状态；u 应用经验关系式或简化的概念建立两相摩擦压降倍数应用经验关系式或简化的概念建立两相摩擦压降倍数 和空和空 泡份额泡份额 的具体表达式的具体表达式2fo核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.2 2.2 流动压降流动压降局部压降局部压降处理两相流局部压降只能采用处理两相
29、流局部压降只能采用半经验半经验或或经验经验的方法的方法忽略沿程摩擦阻力和重力，于是流体在截面扩大前后的动量方程忽略沿程摩擦阻力和重力，于是流体在截面扩大前后的动量方程为：为：12,1,1,1,122,2,2,2,2ffggffggp AW VW Vp AW VW V(1)(1)ftffWx WAV )gtggWxWAV 由连续性方程：由连续性方程：核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.2 2.2 流动压降流动压降可得：可得：,1,2(1)fftWWx W,1,2ggtWWxW,11111tffxWVA ,22211tffxWVA ,111tggxWVA ,222tggxWVA 将它们代入
30、动量方程并整理得：将它们代入动量方程并整理得：22212222211222112(1)1111(1)(1)tfgxxppWAA AAA A核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.2 2.2 流动压降流动压降222221222011112tffgfW vvAAppxAAAv021AAA21pp由于由于，因而，因而，这说明截面突然缩，这说明截面突然缩小时，小时，与单相流一样，在两相流中也导致流体静压力的下降与单相流一样，在两相流中也导致流体静压力的下降 可以用来测量可以用来测量两相流的流量两相流的流量；经过标定的孔板还可以在测量；经过标定的孔板还可以在测量压差的基础上测定汽液混合物的压差的基础
31、上测定汽液混合物的含汽量含汽量核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.2.3 2.3 一回路内的流动压降一回路内的流动压降u 根据各段的压降相加，即得到整个回路的总压降，总压降的数根据各段的压降相加，即得到整个回路的总压降，总压降的数 学表达式可以写成：学表达式可以写成：,tel ia if ic iiiiippppp对于闭合回路来说，系统中所产生的加速压降之和为零。对于闭合回路来说，系统中所产生的加速压降之和为零。即：即：,0a iip这样，上式可以变为：这样，上式可以变为：,tel if ic iiiippppu 根据流体在回路中的受热情况，把回路划分为根据流体在回路中的受热情况，把回路划
32、分为若干段若干段，算出每，算出每 一段内的各类压降之和一段内的各类压降之和计算反应堆回路的总压降通常采取的步骤是：计算反应堆回路的总压降通常采取的步骤是：核科学与技术学院核科学与技术学院4.3 4.3 自然循环自然循环自然循环自然循环是指在闭合回路内依靠是指在闭合回路内依靠热段热段（上行段）和（上行段）和冷段冷段（下行段）（下行段）中的流体中的流体密度差密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环所产生的驱动压头来实现的流动循环4.4.3.1 3.1 自然循环的基本概念自然循环的基本概念LBLnoLchLBCDEAfdWgWfWinW下降段中和上升段中提升压下降段中和上升段中提升压降的代数和所产生的
33、差额部降的代数和所产生的差额部分是分是回路的驱动压头回路的驱动压头在该压头的推动下，水就沿在该压头的推动下，水就沿着下降段向下流，而汽水混着下降段向下流，而汽水混合物则沿着上升段向上流，合物则沿着上升段向上流，形成形成自然循环自然循环核科学与技术学院核科学与技术学院epedcpp u 驱动压头需克服回路内上升段和下降段的压力损失驱动压头需克服回路内上升段和下降段的压力损失dcp是下降段内的压力损失是下降段内的压力损失其中：其中：u 自然循环必须是在一个连续流动的回路中进行，如果中间自然循环必须是在一个连续流动的回路中进行，如果中间 被隔断，就不能形成自然循环被隔断，就不能形成自然循环4.4.3
34、.1 3.1 自然循环的基本概念自然循环的基本概念核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.3.2 3.2 自然循环水流量的确定自然循环水流量的确定差分法差分法自然循环水流量可以用自然循环水流量可以用差分法差分法和和图解法图解法得到得到222,1112nnnf iiiiiii niCVgzgz 求解方法：求解方法：假设一个流量进行迭代求解假设一个流量进行迭代求解edcpp 用回路各段的用回路各段的平均密度平均密度通常是将水循环方程式通常是将水循环方程式写成差分方程的形式然后求解写成差分方程的形式然后求解z若回路的每一边都分成高度为若回路的每一边都分成高度为的的n段，则得到差分方程为段，则得到差分
35、方程为:核科学与技术学院核科学与技术学院 和和 两者都是两者都是系统流量系统流量 的函数，当上升段内的函数，当上升段内的释的释热量及其分布以及系统的结构热量及其分布以及系统的结构尺寸确定后，用改变系统水流尺寸确定后，用改变系统水流量的办法可以得到不同流量下量的办法可以得到不同流量下的有效压头的有效压头epinWdcp4.4.3.2 3.2 自然循环水流量的确定自然循环水流量的确定差分法差分法inWepepdcpinWinW选定坐标后，可以画出选定坐标后，可以画出随随的变化曲线。用同样的方的变化曲线。用同样的方法法与与之间的关系式。这两之间的关系式。这两条曲条曲就是所要求的系统就是所要求的系统自
36、然循环水流量自然循环水流量于同一坐标中画出下降段的于同一坐标中画出下降段的线的交点就是水循环方程式的解线的交点就是水循环方程式的解交点的横坐标交点的横坐标核科学与技术学院核科学与技术学院4.4 4.4 冷却剂的喷放冷却剂的喷放 在单相流和两相流中都有可能发生临界在单相流和两相流中都有可能发生临界 流流差分法当流体自系统中流出的速率不再受下游下降的影响时，差分法当流体自系统中流出的速率不再受下游下降的影响时，这种流动就称为这种流动就称为临界流或阻塞流临界流或阻塞流临界流对反应堆临界流对反应堆冷却剂丧失事故的安全冷却剂丧失事故的安全考虑非常重要，因为破口处的临界流量考虑非常重要，因为破口处的临界流
37、量决定了冷却剂丧失的速度和一回路卸压决定了冷却剂丧失的速度和一回路卸压的速度的速度临界流量的大小不仅直接影响到堆芯的临界流量的大小不仅直接影响到堆芯的冷却能力冷却能力，而且还决定各种安全和应急，而且还决定各种安全和应急系统系统开始工作的时间开始工作的时间核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.4.1 4.1 单相流体的临界流单相流体的临界流u 临界截面的流速等于声速临界截面的流速等于声速u 临界截面的上游流动不受下游压力下降的影响临界截面的上游流动不受下游压力下降的影响对于单相流，确定某一截面发生临界流的两个等价条件是：对于单相流，确定某一截面发生临界流的两个等价条件是：在水冷堆中，单相过冷水
38、的临界流速很高在水冷堆中，单相过冷水的临界流速很高(1000(10001500m/s)1500m/s)，破，破口处的流速很少达到这个数值口处的流速很少达到这个数值一般来说，当一回路通道发生断裂时，破口处由于高压水迅速一般来说，当一回路通道发生断裂时，破口处由于高压水迅速泄压而急剧蒸发，在流速尚未达到单相液体中的声速之前，通泄压而急剧蒸发，在流速尚未达到单相液体中的声速之前，通道内就已经变成道内就已经变成两相流两相流在两相流中，临界流速在两相流中，临界流速下降很多下降很多，因而通道中流出的混合物很，因而通道中流出的混合物很快达到临界流快达到临界流核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.4.2 4
39、.2 两相流体的临界流两相流体的临界流两相临界流的特点：两相临界流的特点： 流体的压力沿通道下降的同时，还将伴随发生相间的流体的压力沿通道下降的同时，还将伴随发生相间的质质量量、动量动量和和能量能量的交换的交换 液相部分的液相部分的扩容汽化扩容汽化，导致含汽量的不断变化，继而出，导致含汽量的不断变化，继而出现现不同的流型不同的流型，特别是当快速膨胀时还会出现相间的不平衡。，特别是当快速膨胀时还会出现相间的不平衡。这些因素的存在，都大大增加了研究两相临界流的困难这些因素的存在，都大大增加了研究两相临界流的困难最早采用最早采用“均匀平衡均匀平衡”模型，它认为汽液两相间处于热力学平模型，它认为汽液两
40、相间处于热力学平衡状态，相间无滑移，两相混合物可看作具有某种平均物性的衡状态，相间无滑移，两相混合物可看作具有某种平均物性的单相流体，流动是等熵的，得到的临界流量偏低。适合于单相流体，流动是等熵的，得到的临界流量偏低。适合于长通长通道道和和含汽量较高含汽量较高的情况的情况长通道中的临界流长通道中的临界流核科学与技术学院核科学与技术学院长通道中的临界流长通道中的临界流4.4.4.2 4.2 两相流体的临界流两相流体的临界流工程设计中普遍采用的模型是工程设计中普遍采用的模型是“滑移平衡滑移平衡”模型，这种模型考模型，这种模型考虑了相间的滑移虑了相间的滑移 长通道中的滑移平衡模型假设长通道中的滑移平
41、衡模型假设: :u 流动为环状流，汽相的平均流速和液相的平均流速不相同流动为环状流，汽相的平均流速和液相的平均流速不相同u 汽液两相处于热力学平衡状态汽液两相处于热力学平衡状态u 当质量流量不再随下游压力的降低而增加时就达到临界流当质量流量不再随下游压力的降低而增加时就达到临界流u 对于一给定的质量流量和含汽量，压力梯度达一有限最大值对于一给定的质量流量和含汽量，压力梯度达一有限最大值核科学与技术学院核科学与技术学院长通道中的临界流长通道中的临界流4.4.4.2 4.2 两相流体的临界流两相流体的临界流临界压力比随长度直径比变化的实验数据图临界压力比随长度直径比变化的实验数据图核科学与技术学院
42、核科学与技术学院长通道中的临界流长通道中的临界流4.4.4.2 4.2 两相流体的临界流两相流体的临界流根据滑移平衡模型算出的汽水混合物的临界质量流密度根据滑移平衡模型算出的汽水混合物的临界质量流密度核科学与技术学院核科学与技术学院长通道中的临界流长通道中的临界流4.4.4.2 4.2 两相流体的临界流两相流体的临界流根据根据MoodyMoody模型算出的汽水混合物的临界质量流密度模型算出的汽水混合物的临界质量流密度核科学与技术学院核科学与技术学院长通道中的临界流长通道中的临界流4.4.4.2 4.2 两相流体的临界流两相流体的临界流 最大汽水混合物流量下的出口临界压力和滞止焓最大汽水混合物流
43、量下的出口临界压力和滞止焓核科学与技术学院核科学与技术学院短通道中的临界流短通道中的临界流4.4.4.2 4.2 两相流体的临界流两相流体的临界流u在长通道中，热平衡的假定是成立的，然而通过孔板或接管在长通道中，热平衡的假定是成立的，然而通过孔板或接管的排放，热平衡就的排放，热平衡就不能达到不能达到u对于短通道，因为缺少能生成汽泡的核心，表面张力又阻碍对于短通道，因为缺少能生成汽泡的核心，表面张力又阻碍汽泡的生成，而且还因为传热上的困难，突然汽化就会推迟汽泡的生成，而且还因为传热上的困难，突然汽化就会推迟发生，从而造成液体的过热，这种现象叫做发生，从而造成液体的过热，这种现象叫做亚稳态亚稳态u
44、通道把通道把L/D12L/D12的通道作为短通道处理的通道作为短通道处理u高温高压水通过孔板或接管的高温高压水通过孔板或接管的快速喷放快速喷放时就可能发生亚稳态时就可能发生亚稳态核科学与技术学院核科学与技术学院短通道中的临界流短通道中的临界流4.4.4.2 4.2 两相流体的临界流两相流体的临界流孔板和短通道内的两相临界流孔板和短通道内的两相临界流核科学与技术学院核科学与技术学院短通道中的临界流短通道中的临界流4.4.4.2 4.2 两相流体的临界流两相流体的临界流短通道短通道3L/D123L/D12的临界流量的实验值的临界流量的实验值核科学与技术学院核科学与技术学院4.5 4.5 流动不稳定
45、性流动不稳定性流动不稳定性：流动不稳定性：是指在一个质量流密度、压降和空泡之间存是指在一个质量流密度、压降和空泡之间存在着耦合的两相系统中，流体受到一个微小的扰动后所产生在着耦合的两相系统中，流体受到一个微小的扰动后所产生的流量漂移或者以某一频率的恒定振幅或变振幅进行的流量的流量漂移或者以某一频率的恒定振幅或变振幅进行的流量振荡振荡质量流密度、压质量流密度、压降和空泡降和空泡机械系统中的质量、激机械系统中的质量、激发力和弹簧发力和弹簧相似相似流动不稳定性不仅在流动不稳定性不仅在热源有变动热源有变动的情况下发生，而且在的情况下发生，而且在热源保热源保持恒定持恒定的情况下也会发生的情况下也会发生核
46、科学与技术学院核科学与技术学院在反应堆、蒸汽发生器以及其他存在两相流的设备中一般在反应堆、蒸汽发生器以及其他存在两相流的设备中一般不允许不允许出现流动不稳定性，其原因是：出现流动不稳定性，其原因是：流量和压力振荡所引发的机械力会使部件产生有害的机械振流量和压力振荡所引发的机械力会使部件产生有害的机械振荡，导致部件的疲劳损坏荡，导致部件的疲劳损坏流动振荡会干扰控制系统流动振荡会干扰控制系统流动振荡会干扰控制系统流动振荡会使部件的局部热应力产流动振荡会干扰控制系统流动振荡会使部件的局部热应力产生周期性变化，从而导致部件的热疲劳破坏生周期性变化，从而导致部件的热疲劳破坏流动振荡会使系统内的传热性能变
47、坏，极大地降低系统的输流动振荡会使系统内的传热性能变坏，极大地降低系统的输热能力，并使临界热流密度大幅度下降，造成沸腾临界过早热能力，并使临界热流密度大幅度下降，造成沸腾临界过早出现出现核科学与技术学院核科学与技术学院两相流不稳定性的分类两相流不稳定性的分类核科学与技术学院核科学与技术学院两相流不稳定性的分类两相流不稳定性的分类核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.5.1 5.1 静力学不稳定性静力学不稳定性流量漂移也称为水动力学稳定性，其特点是流量漂移也称为水动力学稳定性，其特点是系统内的流量会发系统内的流量会发生非周期的漂移生非周期的漂移不稳定分析不稳定分析流量漂移流量漂移压降随流量变化
48、趋势的压降随流量变化趋势的决定因素：决定因素：u 流量下降，压力有流量下降，压力有下降的趋势下降的趋势u 产生沸腾，汽水混产生沸腾，汽水混合物体积膨胀流速增加合物体积膨胀流速增加，使压降随流量的减小，使压降随流量的减小而增大而增大核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.5.1 5.1 静力学不稳定性静力学不稳定性 ()/ ()/0dtpWpW 水动力稳定性准则为：水动力稳定性准则为：稳定性准则稳定性准则流量漂移流量漂移防止水动力不稳定性的措施防止水动力不稳定性的措施u选用大流量下压头会大大降低的水泵，以满足水动力稳定性选用大流量下压头会大大降低的水泵，以满足水动力稳定性准则准则的区段的区段u消
49、除曲线中的消除曲线中的()/0tpW 选取合理的系统参数。系统的运行压力越高，两个相的选取合理的系统参数。系统的运行压力越高，两个相的比体积就相差得越小，流动就越稳定。比体积就相差得越小，流动就越稳定。 在通道进口加装节流件，增大进口局部阻力在通道进口加装节流件，增大进口局部阻力核科学与技术学院核科学与技术学院4.4.5.1 5.1 静力学不稳定性静力学不稳定性流量漂移流量漂移用节流稳定水动力特性用节流稳定水动力特性压力对水动力特性的影响压力对水动力特性的影响欠热度对水动力特性的影响欠热度对水动力特性的影响核科学与技术学院核科学与技术学院流型不稳定性是在流动工况接近流型不稳定性是在流动工况接近
50、泡状流与环状流的转换点泡状流与环状流的转换点时发时发生的生的系统的出口含汽量选择得合理，该不稳定性是系统的出口含汽量选择得合理，该不稳定性是可以避免可以避免的的通常压水堆在低于转换点的出口含汽量下运行；而沸水堆则在通常压水堆在低于转换点的出口含汽量下运行；而沸水堆则在高于转换点的出口含汽量下运行高于转换点的出口含汽量下运行4.4.5.1 5.1 静力学不稳定性静力学不稳定性流型不稳定性流型不稳定性蒸汽爆发不稳定性蒸汽爆发不稳定性它是由于液相的突然汽化导致它是由于液相的突然汽化导致混合物密度急剧下降混合物密度急剧下降而引起的而引起的这种不稳定性在反应堆事故工况的这种不稳定性在反应堆事故工况的再淹
