第34卷第3期原子能科学技术Vol.34,No.3 2000年5月Atomic Energy Science and Technology May2000
抗氧化植物素
自然循环系统热工水力学特性的均相模型分析贾海军1,SON GJinho2
(11清华大学核能技术设计研究院，北京 100084;21韩国原子能研究所，韩国大田)
摘要：在低压低干度汽水两相流稳定性实验研究的基础上，建立了对200MW核供热堆热工水力
学实验回路HRTL2200进行分析计算的均相模型。稳态流动特性和密度波振荡特性的分析结果 表明：均相模型获得的稳态流量分析结果大于实验值；均相模型虽能得到高干度和低干度两个密
度波振荡区域，但在低干度区域，不考虑过冷沸腾区时，均相模型给出的结果不能清楚显示出原本
关键词：低含汽量；均相模型；密度波不稳定性
中图分类号:TL333 文献标识码:A 文章编号:100026931(2000)0320274205
汽液两相流动不稳定性问题与核反应堆安全运行密切相关。因此，国际上已对它进行了大量的研究,Boure等[1]就这一研究领域所取得的成果和进展进行了很好的评述。Lahey和Podowski等[2]发展并总结出一套进行密度波流动不稳定性分析的线性频域方法。但现有的这些研究分析工作主要针对高含汽量区域中的第2类密度波流动不稳定性问题。在产生这一流动不稳定的反馈链中，两相流动阻力起主要作用。清华大学核能技术设计研究院发展的压力壳式一体化自然循环低温核供热堆[3]的热工水力学特点是堆内微沸腾，且堆芯出口流体为低含汽量两相混合物。在自然循环系统中，低含汽量区域中的第1类密度波流动不稳定性产生的机理不同于高含汽量区。在产生第1类密度波流动不稳定的反馈链中，驱动压头变化起重要作用。发展和改进已有模型，使其适用于低含汽量区密度波不稳定性分析计算，对于进一步完善两相流密度波不稳定性的分析及低温核供热堆的发展具有重要意义。在低温堆运行条件下可能产生的密度波不稳定性研究方面，文献[4]研究了上升段中闪蒸现象的影响，文献[5]探讨了能量法在预测稳定边界方面的可行性，文献[6]应用滑移模型研究了低温堆热工水力学实验回路中的流动不稳定性现象。本文则针对200MW低温堆热工水力学实验回路，以均相流模型为基础，研究该线性频域模型在分析低含汽量自然循环回路的稳态和瞬态特性方面的适用性，并将提出进一步的研究及改进方向。
收稿日期:1998211223；修回日期:1999204230
作者简介：贾海军(1960—)，男，湖北钟祥人，副研究员，博士后，反应堆热工水力学专业
图1 HRTL 2200热工水力学实验回路主回路流程图Fig.1 Block diagram of HRTL 2200thermalhydraulic test loop 1———加热本体;2———上升段;3———汽水分离器;4———稳压器;5———冷凝器;6———换热器;7———下降段;8———阻力调节阀;9———文氏管流量计1 回路及其物理模型 图1是为研究200MW 低温核供热堆中的热工水力
学现象建立的HR TL 2200热工水力学实验系统主回路示
意图。去离子水从主回路加热段下部进入，沿加热段向上流动并被加热成低含汽量汽水混合物，混合物经上升段后
进入汽水分离器，分离出的蒸汽由冷凝器冷凝成水，并与
分离出的水重新混合后流经换热器，被冷却的主回路水沿
下降段流动，经阻力调节阀和流量计后返回加热段。回路
系统的总入口阻力因数K in 用阻力阀调节。加热段和上升
段高度L H 、L R 与原型堆的相应高度之比均为1∶1，回路运
行时的热工水力学参数范围大于原型堆的运行参数。回
路设计压力p =610MPa ，最高运行温度t ≈250℃，最大
加热功率P =500kW 。
基于HR TL 2200实验系统主回路建立的物理模型示
于图2。据此物理模型建立数学模型，其主要假设如下:
1)加热段中为一维向上流动，上升段中为绝热流动;2)加
热区由单相过冷区L 1<；和两相饱和沸腾区L 2<；组成，不考虑
图2 HRTL 2200实验回路的简化物理模型
Fig.2 Simplified model of HRTL 2200test loop 过冷沸腾区;3)加热段中热流密度q ″均匀分布;
4)分析过程中系统压力不变;5)流体热物性参数
在所分析的压降范围内不随压力变化。
单相区的微分方程组为:
5j 5z
=0(111)-5p 5z =ρl (5j 5t +j 5j 5z )+f l ,0ρl j 22D H +ρl g +K in ρl j 2in 2
(112)ρl 5h l 5t +q m 5h l 5z =q ″p H A
(113) 两相区微分方程组为:
5ρ2<5t +5q m 5z =0(211)-5p 5z =ρ2<(5j 5t +j 5j 5z )+{f 2<D H
+K H ,R δ(z -L H )+K ex δ[z -(L H +L R )]}ρ2<j 22
+ρ2<g (212)5(ρ2<h )5t +q m 5(q m h )5z =q ″p H A (213)
572第3期 贾海军等：自然循环系统热工水力学特性的均相模型分析
其中:A为加热段流动面积;D H为水力当量直径;f为流动摩擦阻力因数;t为时间;z为流动方向坐标;g为重力加速度;ρ为流体密度;q m为总质量流量;h为流体比焓;P H为加热段热周;δ为有限增量。下标H、in和ex分别表示加热段、加热段入口和加热段出口;1<、2<；和l分别表示单相、两相加热区和液相区;0表
示稳态参数;R代表上升段。
考虑描述两相间关系的结构关系式和加热区的传热关系式，积分、用小扰动法线性化并拉氏变换各区段的动量方程，可求得各区段的压降扰动方程式。因回路闭合，单相区和两相区的压降扰动之和为零，即
δ(Δp～
1<
)+δ(Δp～2<)=0(3) 由式(3)可得如下系统特征方程:
1+Π
1
(s)
Γ
1
(s)
=0(4)
式(4)为复数方程，复变量为s，其描述的沸腾系统稳定的条件是式(4)的根实部为负数。尽管用Nyquist方法容易判断系统是否稳定，但用它求解稳定边界则较繁琐。
当一复数方程等于零时，则其实部和虚部均等于零，这时，可得:
Re(1+Π
1
(s)
Γ
1
(s)
什么叫破乳现象)=Re[f(q″
,h in,j in,jω)]=f1(q″0,h in,j in,s)=0(5)
Im(1+Π
1
(s)
Γ
1
(s)
)=Im[f(q″
,h in,j in,jω)]=f2(q″0,h in,j in,s)=0(6)
从几何观点看，当流速j in确定之后，在热流密度q″
电源散热片和加热段入口过冷焓h in,sub平面上的某些区域，复变量s的根有正实部，在另一些区域，复变量s的根
实部为负，在边界上，复变量s的根实部为零，此时所得到的q″和h in的值即为稳定边界上的值。因此，可令复变量s=jω(j 为复变量符号,ω为角频率)，在给定了入口流速j in和一系列的s值后，可由式(5)、(6)求得稳定边界上的一系列q″和h in值。
式(5)、(6)构成了一非线性方程组，根据Newton求根算法，可得到下列求根迭代方程:
F(q″0
,n ,h in,n)
δq″
0,n+1
δh
in,n+1
=
防盗机箱
-
f1(q″0
,n
,h in,n)
f2(q
″
0,n
,h in,n)
(7)
q″0
,n+1
h in,n+1
=
q″0
,n
h in,n
+
δq″
0,n+1
δh
in,n+1
(8) 求解此方程组，即可得到以加热段入口过冷度θsub和加热功率P表示的密度波振荡边界。2 计算结果及分析
依据以上所建立的模型及数值求解方法，用FOR TRAN语言编制了计算程序，计算了自然循环回路的稳态流动特性和密度波振荡边界。
图3所示为质量流量的计算结果与实验结果的比较。从图可看出：计算值高于实验值。这主要是由于均相模型忽略了实际系统中汽液两相之间存在的滑移，造成计算出的体积含汽率较实际值大，从而使提升驱动力计算值偏大。此外，计算中忽略了过冷沸腾区段，这对总的驱动力影响虽不大，但对摩擦阻力的计算影响则较大，这是造成质量流量计算值大于实验值的又一重要原因。
672原子能科学技术 第34卷
以相变数N pch 为横坐标、过冷数N sub 为纵坐标，绘制N sub 2N pch 关系曲线(图4)
。该图示图3 总质量流量随含汽量x e 的变化
Fig.3 Variation of mass flow rate
with quality x e
○———计算值;Ε———
实验值图4 实验及计算的稳定边界位置Fig.4 Position of flow instability boundaries p =115MPa
;K in =25○———计算值;Ε———大θsub 实验值;△———小θsub 实验值
图5 计算与实验稳定边界的比较Fig.5 Comparison of calculated and experimental stable boundaries ○———计算值;Ε———大θsub 实验值;△———小θsub 实验值
出用本模型计算的流动稳定区域、稳定边界及来自
HR TL 2200实验回路的低含汽量区域密度波不稳定
性稳定边界实验结果的位置。从图4可看出：本文
所发展的模型可清楚计算并区分出低含汽量和高
含汽量两个流动不稳定区域，并证实了该低含汽量
流动不稳定区属于密度波不稳定范畴。由于均相
屏式电脑
t型密封圈模型忽略了过冷沸腾区段的影响，导致模型本身存
在一定局限性，使得本已狭窄的低含汽量密度波不
稳定区域变得更加难以清晰显现出来(图5)。
以过冷度为纵坐标、总加热功率为横坐标表示
的计算和实验所得到的低含汽量下的流动稳定边
界示于图5。从图可看出：计算得到的稳定边界是
小入口过冷度时的边界，此时，加热段出口含汽量
相对较大，过冷沸腾的影响较小并可忽略不计。然而，本模型不能给出低含汽量不稳定区大过冷度侧的稳定边界，而采用滑移模型并考虑过冷沸腾区后，这一不稳定区域的两条边界方可在图上清晰可见[6]。
3 结论
本文探讨了以均相模型为基础，采用线性频域方法分析低压、低含汽量区域中的汽液两相流密度波不
稳定性的可行性。从计算结果与实验结果的比较可见:
1)均相模型较高地估算了含汽量，因而使质量流量的计算值偏大，表明在这种低干度自然循环系统中，含汽量对流动有重要影响;
2)以均相模型为基础的线性频域方法能清楚地区分出低含汽量和高含汽量这两个由不同反馈链所产生的密度波不稳定区域;
772第3期 贾海军等：自然循环系统热工水力学特性的均相模型分析
872原子能科学技术 第34卷
3)在预测低含汽量不稳定区域时，均相模型虽可准确给出低含汽量密度波振荡区域的小过冷度边界，但不能清楚给出大过冷度侧的振荡边界。
由此可见：进一步研究低干度两相流密度波不稳定边界时，应考虑过冷沸腾区的影响，或者采用滑移模型或两流体模型。
本研究工作得到韩国科学财团(KOSEF)的支持，在此表示感谢。
参考文献:
[1] Boure JA,Berggles AE,Tong L S.Review of Two2phase Flow Instability[J Nuclear Engineering and Design,
1973,25:165～192.
[2] Lahey RT J r,Podowski MZ.On the Analysis Instabilities in Two2phase Flows[A].Hewitt GF,Delhaye J M,
Zuber N.Multiphase Sci Technol,Vol4[M].Mc Graw2Hill,Brook Cy:Hemisphere Publishing Company, 1989.183～370.
[3] 王大中，林家桂，马昌文，等1200MW核供热站方案设计[J]1核动力工程,1993,14(4):289～2951
[4] 周志伟1自然循环回路在受闪蒸影响下的两相流动稳定性分析[D]1北京：清华大学核能技术设计研究
院,19891
[5] 张作义1两相流密度波不稳定性的能量原理[D]1北京：清华大学核能技术设计研究院,19891
[6] Jiang Shengyao.Instabilitatsuntersuchungen an Naturumlaufsystemen:ISSN201736982[D].Stuttgart:Univer2
sitat Stuttgart,1994.
Analysis of Thermalhydraulic Characteristics
of N atural Circulation System With H omogeneous Model
J IA Hai2jun1,SON G Jinho2
(11Institute of N uclear Energy Technology,Tsinghua U niversity,Beijing100084,China;
2.Korea A tomic Energy Research Institute,Taejon3052600,Korea)
Abstract:Based on the experimental investigation of low pressure and low quality vapour2water two2phase flow density2wave oscillation carried out at Institute of Nuclear Energy Technology of Tsinghua University,a homogeneous analysis model for the thermalhydraulic test loop of200 MW heating reactor(HR TL2200)is presented.The analysis results of steady2state and density2 wave oscillation show that the calculated mass flow rate is larger than experimental one,and the homogen
eous model neglected the subcooled boiling region can not predict both of small and large subcooling stability boundaries in the narrow low quality unstable region,although it can predict that there are two density2wave oscillation regions in low quality and high quality regions.
K ey w ords:low quality;homogeneous model;density2wave oscillation
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议