自然循環(huán)原理在能源動力行業(yè)的應用與發(fā)展*

張文超 肖 雯 金光遠 杜利鵬

(東北電力大學能源與動力工程學院)

隨著世界能源需求的增長，能源動力行業(yè)中流動換熱設備的效率已越來越為人們所關注，提高其效率的關鍵在于對流動和換熱特性機理的深入研究[1～4]，其中自然循環(huán)系統(tǒng)的流動與傳熱特性是研究熱點之一。

自然循環(huán)是指在閉合系統(tǒng)中僅依靠冷熱流體間的密度差和高度差形成的浮升力驅動流體而形成的循環(huán)流動[5]。自然循環(huán)系統(tǒng)不需要外部動力便可維持流動介質(zhì)在設備或系統(tǒng)內(nèi)的流動，具有安全性高、節(jié)省能源及系統(tǒng)運行噪音低等優(yōu)點，在核動力反應堆及鍋爐、太陽能加熱[6～8]等領域得到了廣泛應用。因此對自然循環(huán)系統(tǒng)的設計與研究也得到了廣泛關注(主要包括對其流動及傳熱等機理的研究)。然而目前描述自然循環(huán)系統(tǒng)在能源動力行業(yè)中的應用與研究進展的文獻較少。

在此，筆者闡述了自然循環(huán)技術在能源動力行業(yè)中的應用和研究進展，總結了自然循環(huán)原理的研究熱點，討論了自然循環(huán)的研究趨勢，以期為其進一步研究提供參考。

1 自然循環(huán)在能源動力行業(yè)中的應用

1.1核電領域

核電對于改善環(huán)境壓力、緩解能源電力緊張具有重要作用，但如果發(fā)生核泄漏事故，其危害也較大，因此核電領域對于反應堆的安全性要求非常高。2011年日本發(fā)生的福島核電事故對包括中國在內(nèi)的整個核能發(fā)電領域產(chǎn)生了巨大的負面影響，其中一個重要的原因是在事故過程中電站失去所有外部電源，無法利用泵等能動方法排出堆芯余熱，而非能動余熱排出系統(tǒng)排熱能力不足，導致熱量無法排出，最終造成事故的發(fā)生。

從核電的發(fā)展歷史來看，每次核事故雖然都產(chǎn)生了負面影響，但同時也極大地促進了核電安全標準的提高和核電技術的發(fā)展，在福島核電事故后，核電領域更加強調(diào)自然循環(huán)等非能動安全技術的應用。筆者以自然循環(huán)技術在核反應堆中的典型應用(包括一回路系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、AP1000非能動安全殼冷卻系統(tǒng)和瑞典PIUS堆中的自然循環(huán)密度鎖系統(tǒng))為對象進行分析。

1.1.1一回路系統(tǒng)

核電站一回路(圖1)是一個自然循環(huán)系統(tǒng)，其中反應堆堆芯中流體被加熱，是回路熱源，放在比較低的位置，較高處的蒸汽發(fā)生器冷卻一回路流體是回路冷源，如此便在蒸汽發(fā)生器與反應堆之間高度差和冷熱段密度差的作用下產(chǎn)生自然循環(huán)流動，帶出堆芯中產(chǎn)生的熱量。

圖1 壓水反應堆一回路系統(tǒng)

在核反應堆中，除了核電站一回路外，核潛艇也充分利用了自然循環(huán)原理。外軍第五代核潛艇可實現(xiàn)自然循環(huán)巡航[9]，俄羅斯研制的新一代核潛艇甚至達到了100%的自然循環(huán)能力[10]，即在自然循環(huán)模式下，不需要開啟主泵就可以滿負荷運行，這極大地增強了潛艇的隱身能力。

目前，對于反應堆一回路自然循環(huán)系統(tǒng)的研究主要集中在對自然循環(huán)流量的相關研究上。郝承明等利用RELAP5軟件對一體化反應堆強迫循環(huán)轉自然循環(huán)過程的瞬態(tài)特性進行了分析，探討了反應堆功率、主泵阻力及主泵轉動慣量等因素對轉換過程瞬態(tài)特性的影響規(guī)律[11]。宮厚軍等同樣對一體化反應堆自然循環(huán)流量進行了實驗和數(shù)值分析，研究了不同傾斜角度下的單相自然循環(huán)流量特性，得出了不同傾斜角度與流量之間的關系[12]。盧川等分別利用CFD和RELAP5軟件對堆芯內(nèi)的流量分布進行計算，發(fā)現(xiàn)反應堆堆芯采用閉式通道和設置提升筒可以提高堆芯內(nèi)的安全性[13]。謝仁富等提出了一種基于16Nγ噪聲監(jiān)測和相關分析的測量方法，不用插入管道即可實現(xiàn)性能穩(wěn)定可靠的測量一回路自然循環(huán)流量的功能[14]。

1.1.2余熱排出系統(tǒng)

非能動余熱排出系統(tǒng)(圖2)是核反應堆在事故狀態(tài)下或正常停堆后排出堆芯熱量的重要手段，非能動余熱排出熱交換器放在安全殼內(nèi)換料水儲存箱里，換料水箱作為冷源，其位置高于作為熱源的反應堆堆芯，當余熱排出系統(tǒng)運行時，堆芯內(nèi)的水受熱密度降低，而換料水箱內(nèi)的水通過熱交換器冷卻，通過熱交換器和堆芯的高度差和流體的密度差形成自然循環(huán)流動，從而帶出堆芯的熱量，確保反應堆的安全。

圖2 非能動余熱排出系統(tǒng)

近年來，對非能動余熱排出系統(tǒng)的研究主要集中于運行特性分析和余熱排出系統(tǒng)中的換熱器數(shù)值模擬。陳薇等模擬了安全殼內(nèi)置換料水箱中典型的氣液兩相自然循環(huán)特性，發(fā)現(xiàn)C型換熱器增加了管外流體流場分布的不均勻性，增加了大容積水池內(nèi)的自然循環(huán)能力，但換熱器彎管和水平管的局部區(qū)域發(fā)生了氣泡聚集[15]。宋陽等以管內(nèi)、外耦合的方法研究了水箱中心管束內(nèi)和水箱內(nèi)自然循環(huán)的流場和溫度場分布，發(fā)現(xiàn)水箱內(nèi)的流體呈現(xiàn)為復雜的螺旋式運動，產(chǎn)生了多處漩渦，強化了換熱效果[16]。范書淳等對非能動余熱排出系統(tǒng)的瞬態(tài)熱工水力運行特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)反應堆發(fā)生斷電事故后，系統(tǒng)自然循環(huán)可以很快建立[17]。Sun L等用C++編制代碼對橡樹嶺實驗室設計的10MW熔鹽實驗堆進行數(shù)值模擬，通過對自然循環(huán)和傳熱能力的研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠排出反應堆產(chǎn)生的余熱[18]。Min B Y等用VISTA- ITL代碼分析了SMART反應堆的余熱排出系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下不同尺度功率和自然循環(huán)流速的關系[19]。Nitin M等對含有重力驅動水池的非能動余熱排出系統(tǒng)建立的自然對流現(xiàn)象進行了三維數(shù)值分析，包括傳熱過程和溫度場分布[20]。

1.1.3AP1000非能動安全殼冷卻系統(tǒng)

AP1000壓水反應堆核電站的安全殼通過鋼殼內(nèi)外的自然循環(huán)和自然對流排出堆芯的熱量，如圖3所示。非能動安全殼系統(tǒng)利用一個鋼制安全殼殼體作為傳熱表面，蒸汽在安全殼內(nèi)表面冷凝并加熱內(nèi)表面，然后通過導熱將熱量傳遞至鋼殼體。受熱的鋼殼體外表面通過對流、輻射及物質(zhì)傳遞(水蒸發(fā))等熱傳遞機理，由水和空氣冷卻。熱量以顯熱和水蒸氣的形式通過自然循環(huán)的空氣帶出，如此安全殼內(nèi)部形成自然對流，安全殼外部形成自然循環(huán)，可實現(xiàn)至少3天內(nèi)不需要操作員的干預。

圖3 非能動安全殼冷卻系統(tǒng)示意圖

由于大容器內(nèi)容易形成熱分層，不利于自然循環(huán)流動的形成，因此目前的研究熱點主要集中在熱分層的研究上。Yu Y等基于熱分層理論，針對鋼制安全殼內(nèi)、外的自然循環(huán)過程，建立一維計算模型，得到了安全殼內(nèi)的溫度、壓力和組分的分布[21]。Cheng X等通過實驗和數(shù)值分析了嚴重事故以后復合材料安全殼的空氣自然對流和輻射換熱特點，發(fā)現(xiàn)熱輻射明顯地加強了熱量傳遞[22]。黃政采用RELAP5和MELCOR結合的方式，計算安全殼和非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的瞬態(tài)響應特性，發(fā)現(xiàn)非能動安全殼冷卻系統(tǒng)能夠在一定時問內(nèi)有效實現(xiàn)安全殼降溫、降壓，但長期階段仍需進行補水降溫[23]。黃代順等利用計算CFD的程序平臺CASTEM，開發(fā)非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的冷凝、蒸發(fā)模型，模擬了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下的傳熱傳質(zhì)特性[24]。Zhao G Z等利用RELAP5對非能動安全殼外部冷卻系統(tǒng)的兩相自然循環(huán)流動不穩(wěn)定性進行了分析，發(fā)現(xiàn)外部冷卻系統(tǒng)有很好的冷卻作用，并分析了壓力和過冷度對自然循環(huán)流量的影響[25]。

1.1.4瑞典PIUS堆中的自然循環(huán)密度鎖系統(tǒng)

PIUS反應堆中密度鎖技術是一種僅依靠密度差分別實現(xiàn)流體自發(fā)流動和流動截至的技術，其本質(zhì)是對自然循環(huán)原理的利用，系統(tǒng)原理示意圖如圖4所示。反應堆正常運行時，由于主冷卻劑通道和事故回路通道內(nèi)的流體密度不同，便會在密度鎖內(nèi)形成一個穩(wěn)定的分界面，它可以有效阻止兩通道內(nèi)的流體相互攪混，同時能夠使高濃度含硼水池與主冷卻劑系統(tǒng)始終保持相連。在主泵停轉(停堆)時，高含硼水將靠自然循環(huán)從水池下部穿過下密度鎖，經(jīng)入口管段進入堆芯，吸取堆芯熱量后經(jīng)升液管達到上密度鎖，然后返回水池(圖4中虛線)，形成自然循環(huán)流動。

圖4 自然循環(huán)密度鎖系統(tǒng)原理示意圖

目前，國外許多最新設計的反應堆都將密度鎖回路安裝在反應堆非能動余熱排出系統(tǒng)中。Stefan M在設計的防止堆芯熔化的降壓系統(tǒng)中采用了密度鎖裝置，以確保堆芯的安全[26]。Juhn P E等總結了IAEA對于非能動安全系統(tǒng)的活動，介紹了最新設計的反應堆中應用的密度鎖裝置[27]。

國內(nèi)研究則主要集中在密度鎖啟動條件和分區(qū)上。谷海峰等分別對密度鎖的正向啟動和反向啟動特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)不論是何種啟動方式，流量均是影響密度鎖啟動過程的關鍵因素，并給出了成功實現(xiàn)啟動的條件[28,29]。王升飛等分析了流速對密度鎖內(nèi)溫度場和分層的影響，并建立了分區(qū)模型，將密度鎖分為混合區(qū)、分層區(qū)和恒溫區(qū)[30]。

除上述系統(tǒng)外還有堆芯補水箱、乏燃料水池及反應堆二回路等設備與系統(tǒng)也應用了自然循環(huán)原理，這里不再贅述。

1.2自然循環(huán)鍋爐

自然循環(huán)鍋爐(圖5)中的流動介質(zhì)依靠管道中水與水蒸氣的密度差在管道中循環(huán)，而無需其他動力。給水由省煤器進入汽包與爐水混合后，通過下降管和下聯(lián)箱進入水冷壁，在水冷壁中吸收爐膛火焰和煙氣的熱量以達到飽和溫度并產(chǎn)生部分蒸汽，而下降管為飽和或欠熱水。下聯(lián)箱左右兩側將產(chǎn)生壓力差，推動上升管中的汽水混合物向上流動，進入汽包，并在汽包內(nèi)進行汽水分離，分離出來的蒸汽送往過熱器，分離出來的水繼續(xù)參加循環(huán)，從而形成自然循環(huán)。自然循環(huán)鍋爐具有給水泵電耗小的優(yōu)點，與強制循環(huán)鍋爐相比是不需要在高溫條件下工作的循環(huán)泵，可靠性更高。

圖5 自然循環(huán)鍋爐回路示意圖

目前，對自然循環(huán)鍋爐的研究主要集中于對鍋爐水動力分析和汽包水位的研究方面。易凱對水動力不確定因素進行了分析，研究了鍋爐循環(huán)倍率與其他不確定因素(如受熱管受熱強度、上升管長度和回路復雜程度)之間的關系[31]。劉迎光依據(jù)前蘇聯(lián)水動力計算的標準方法建立了蒸發(fā)器單相流體和兩相流體的數(shù)學模型，繪制了立式自然循環(huán)余熱鍋爐各管屏和整體蒸發(fā)器的水動力特性曲線，計算出穩(wěn)態(tài)工作點及其各種參數(shù)[32]。李曉燕論述了機組在大幅變工況和啟停過程中水位的變化起因及其相應的處理方法[33]。郭倍州針對DG- 2070/17.5- π6型亞臨界自然循環(huán)鍋爐汽包水位的偏差現(xiàn)象進行了闡述，分析了汽包水位偏差的原因并給出其調(diào)整方法[34]。Almir S等建立了單汽包自然循環(huán)蒸汽鍋爐蒸發(fā)器回路的非線性數(shù)值模型，該模型基于基本的物理定律，不依賴于經(jīng)驗關系式，可用于分析不同外部干擾時的鍋爐動態(tài)行為[35]。

此外，自然循環(huán)鍋爐的研究還涉及到設計、安裝及運行優(yōu)化等內(nèi)容[36～38]。

1.3自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)

自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)(圖6)是一種不使用或部分使用循環(huán)泵的太陽能集熱系統(tǒng)，其基本原理就是利用低處的集熱板吸收太陽光的熱量加熱流經(jīng)集熱板的冷水，促使集熱板內(nèi)水溫升高，溫度高于較高處補水箱內(nèi)的水溫，此時因水的密度差形成自然循環(huán)流動。自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)具有節(jié)省能源及降低噪音等優(yōu)點。

圖6 自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)示意圖

浙江大學對自然循環(huán)槽式太陽能集熱系統(tǒng)做了大量相關研究。Zhang L等對自然循環(huán)熱管系統(tǒng)進行實驗研究，設計了U形自然循環(huán)熱管系統(tǒng)并進行了傳熱效率分析[39]。Hua M等對熱虹吸回路中的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)進行了實驗研究，分別討論了熱負荷對流型、熱效率和兩相傳熱系數(shù)的影響[40]。陳歡等對50kW的自然循環(huán)槽式太陽能高溫集熱系統(tǒng)在不同太陽輻照和排汽壓力工況下的傳熱特性和穩(wěn)定性進行了實驗研究[41]。倪煜以納米流體為換熱工質(zhì)，與水的換熱效果相比，發(fā)現(xiàn)可以強化換熱7%[42]。

鄭土逢等對自然循環(huán)平板式太陽能熱水器的放置高度進行了研究，發(fā)現(xiàn)對于水箱容積為120L的太陽能熱水器，其放置高度應為最大熱效率時的高度[43]。王帥對自然循環(huán)式光伏光熱一體化太陽能平板集熱器的結構進行了設計，并用Fluent軟件對集熱器在自然循環(huán)狀態(tài)下的溫度分布進行了數(shù)值模擬[44]。Ahmed R等設計了一種新的太陽能對流蒸發(fā)器實驗裝置，使得空氣在矩形自然循環(huán)回路內(nèi)流動，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器內(nèi)的空氣對流增強了換熱效果并得到了對流傳熱系數(shù)[45]。

1.4其他應用

自然循環(huán)原理在其他領域也有廣泛應用，如自然循環(huán)制冷系統(tǒng)及熱水采暖系統(tǒng)等領域。

2 研究熱點

2.1自然循環(huán)技術存在的問題

由于具有安全及節(jié)能等優(yōu)點，自然循環(huán)技術在能源動力行業(yè)有著廣泛的應用。然而自然循環(huán)系統(tǒng)本身也存在一些缺點，比如驅動壓頭較小、系統(tǒng)體積龐大、流動穩(wěn)定性較差、可能出現(xiàn)熱分層及物理失效等問題，這些問題限制著自然循環(huán)技術的進一步應用。為了克服存在的問題，擴大自然循環(huán)技術的應用，需要深入研究自然循環(huán)流動的機理。

2.2自然循環(huán)流動不穩(wěn)定性機理研究

在系統(tǒng)運行過程中，當流動在一定條件下發(fā)生發(fā)散，或過渡到另一穩(wěn)定的運行工況，或發(fā)生持續(xù)等幅脈動時，系統(tǒng)便發(fā)生了流動不穩(wěn)定性。與強迫循環(huán)相比，自然循環(huán)的驅動力不是恒定的，它與系統(tǒng)的運行狀態(tài)有關，即自然循環(huán)系統(tǒng)存在傳熱-流動的耦合現(xiàn)象，因此自然循環(huán)系統(tǒng)更容易發(fā)生流動不穩(wěn)定性現(xiàn)象，流動不穩(wěn)定性也成為目前自然循環(huán)原理研究的焦點之一。張文超等發(fā)現(xiàn)搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)中存在混沌脈動，分析了系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性的非線性演化機理，成功實現(xiàn)了對復雜流量脈動的混沌預測[46～49]。Vikas J等通過實驗對低壓下四通道自然循環(huán)回路的流動不穩(wěn)定性行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在低功率下會發(fā)生第一類流動不穩(wěn)定性，在高功率下會發(fā)生第二類流動不穩(wěn)定性，在功率介于兩者之間時出現(xiàn)穩(wěn)定區(qū)域[50]。Zhou T等研究了自然循環(huán)狀態(tài)下窄矩形通道中的流量偏移機理，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在發(fā)生流量偏移之前流量總會出現(xiàn)周期性脈動，經(jīng)分析得出流量偏移的發(fā)生與氣泡和流型的變化有關[51]。Yu J Y等通過實驗研究和建立數(shù)值模型計算發(fā)現(xiàn)，在超臨界壓力下自然循環(huán)系統(tǒng)不會發(fā)生Ledinegg流動不穩(wěn)定性[52]。Prasad G V D和Pandey M分別在自然循環(huán)沸水堆和具有核耦合的雙通道自然循環(huán)回路中發(fā)現(xiàn)，在某些特定運行狀態(tài)下，系統(tǒng)流量會出現(xiàn)周期性波動和混沌脈動[53]。Paul S和Singh S通過對時間序列分析發(fā)現(xiàn)，在高壓自然循環(huán)管道中兩相流動存在超臨界和次臨界Hope分岔[54]。

國內(nèi)外學者就不同自然循環(huán)系統(tǒng)中的流動不穩(wěn)定性進行了研究。Swapnalee B T等以超臨界水堆為背景，分別用超臨界水和超臨界CO2進行實驗，分析自然循環(huán)系統(tǒng)中的靜態(tài)不穩(wěn)定，得到了不穩(wěn)定的邊界圖并基于無量綱密度和無量綱熵得出了穩(wěn)態(tài)流動的驗證關聯(lián)式[55]。Lisowski D D等對頂部含有水箱的多通道自然循環(huán)系統(tǒng)進行了實驗研究，分析了蒸發(fā)、汽化對兩相自然循環(huán)回路的影響，討論了水箱水位與單相流動、過渡泡核沸騰、靜壓力波動、穩(wěn)定兩相流動及噴涌等流動狀態(tài)的關系[56]。Tan S C等對搖擺條件下兩相自然循環(huán)流動不穩(wěn)定性進行了實驗研究，對搖擺條件下的流動狀態(tài)進行了分類，包括波谷型脈動、規(guī)則復合型脈動、不規(guī)則復合型脈動及高含氣率小振幅脈動等[57]。

2.3自然循環(huán)集熱特性研究

理解和掌握自然循環(huán)集熱系統(tǒng)的流動沸騰傳熱特性，對于深刻理解自然循環(huán)機理具有重要意義，因此當前的研究熱點主要集中于系統(tǒng)內(nèi)部的沸騰和冷凝傳熱機理研究。周媛和王玉林以CARR堆芯熱組件為對象，用CFD軟件模擬了以強迫循環(huán)計算結果為初始場的自然循環(huán)傳熱特性，得到了溫度場分布并找到了熱點位置[58]。Chung Y J等對冷卻水池內(nèi)自然循環(huán)管束的傳熱特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)池內(nèi)水溫和管束徑向分布對換熱系數(shù)有較大影響，管束之間的湍流作用使得換熱系數(shù)明顯大于單管[59]。Wang J Y等建立了自然循環(huán)回路的3D模型，發(fā)現(xiàn)回路在彎管處出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，水平管內(nèi)出現(xiàn)了熱分層，系統(tǒng)導熱能力與流速存在很大關系[60]。Yu S等對U形自然循環(huán)回路中的液態(tài)氦氣的傳熱特點進行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著熱流量增加系統(tǒng)依次出現(xiàn)單相對流、部分泡核沸騰、完全泡核沸騰和膜態(tài)沸騰，并得到了泡核沸騰的傳熱系數(shù)[61]。Wang C等對搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)的傳熱特性進行了分析，與靜止狀態(tài)相比，搖擺條件下的系統(tǒng)流量出現(xiàn)波動，平均流量降低，但平均傳熱系數(shù)增加，Nu數(shù)隨著Re數(shù)的增加而呈線性增加的趨勢[62]。Cao Y H和Zhang X R通過建立2D模型對自然循環(huán)回路內(nèi)的超臨界CO2傳熱特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)散熱器溫度對對流和傳熱存在較大影響，回路傾斜會降低傳熱性能，隨著溫度差的增大，對流和傳熱性能先增加后減小[63]。

3 研究趨勢

自然循環(huán)系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)在一定工況下會出現(xiàn)復雜的流動行為，如混沌脈動及分岔現(xiàn)象等，目前復雜流動現(xiàn)象的機理分析尚不明確，是一個研究熱點。系統(tǒng)內(nèi)流動、汽泡行為、傳熱、核反饋、外力作用及部分重力等因素對系統(tǒng)的影響，以及各因素之間的耦合機理；系統(tǒng)流動特性的演化機理，特別是非線性演化機理，都是研究熱點。為了減小自然循環(huán)系統(tǒng)的體積，系統(tǒng)內(nèi)的強化換熱問題對于自然循環(huán)技術的應用也有較大的研究價值。

在研究對象上，在擴大自然循環(huán)技術應用范圍的過程中，許多裝置中的自然循環(huán)具體行為也不斷得到拓展，如窄矩形通道、微型通道及U形管道等裝置中的自然循環(huán)流動-傳熱特性。

在研究方法上，最為常見的自然循環(huán)研究方式為實驗研究和建立數(shù)值模型。首先，在自然循環(huán)的實驗研究方面主要存在的問題是實驗回路與實際工業(yè)裝備差別較大，實驗結果可擴展性不強，未來實驗研究應更加強調(diào)擴展實驗的參數(shù)范圍，如系統(tǒng)壓力及加熱功率等運行參數(shù)，調(diào)整回路尺寸以符合實際應用，同時需要開發(fā)新的參數(shù)數(shù)據(jù)采集方法，以提高采集實驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和精確度，如利用激光探測回路特定區(qū)域溫度場等技術。其次，隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值計算能力越來越強，用數(shù)值方法分析系統(tǒng)行為越來越普遍，由于自然循環(huán)是系統(tǒng)行為，因此要對整個系統(tǒng)的流動-傳熱狀態(tài)進行數(shù)值分析研究，通常的方法是根據(jù)實際系統(tǒng)建立整體模型以模擬系統(tǒng)行為。數(shù)值分析方面比較好的研究方案是以現(xiàn)有的大型軟件為平臺，進行二次開發(fā)。除傳統(tǒng)的實驗和數(shù)值分析方法外，隨著一些新的理論和技術的出現(xiàn)，發(fā)展出了一些新的方法，如利用非線性動力學和混沌理論分析復雜兩相流動現(xiàn)象，利用高速攝影儀和圖像處理技術分析系統(tǒng)中的氣泡行為，以及利用復雜網(wǎng)絡或神經(jīng)網(wǎng)絡技術建立自然循環(huán)模型等。

4 結論

4.1對自然循環(huán)技術在能源動力行業(yè)中的主要應用進行了總結梳理，包括核反應堆中的一回路系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、非能動安全殼系統(tǒng)、密度鎖系統(tǒng)、自然循環(huán)鍋爐和自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)，介紹了其基本結構和運行原理，并對相應系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了歸納總結。

4.2指出自然循環(huán)系統(tǒng)存在的問題，并對自然循環(huán)機理研究熱點的現(xiàn)狀進行了歸納總結，包括自然循環(huán)系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性和傳熱特性。

4.3基于自然循環(huán)的應用和研究現(xiàn)狀，分別從研究內(nèi)容、研究對象和研究方法上對自然循環(huán)下一步的研究趨勢提出了個人看法。

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