簡單矩形回路內(nèi)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的預(yù)測

呂發(fā) 何祖娟 徐海波 黃彥平 王艷林

摘要：本文以簡單矩形回路為對象，給出了基于穩(wěn)態(tài)條件下自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動力與阻力平衡的原則預(yù)測回路內(nèi)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的方法，分別對亞臨界與超臨界水穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量進行了計算，并將計算結(jié)果與實驗值進行了對比，結(jié)果表明：預(yù)測結(jié)果與實驗值符合較好，本文給出的方法能較好的預(yù)測簡單矩形回路內(nèi)的亞臨界與超臨界水穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量。

關(guān)鍵詞：超臨界水；穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)；流量

1 引 言

自然循環(huán)是指在閉合系統(tǒng)中不依賴外界動力源，僅由冷熱流體間的密度差形成的浮升力驅(qū)動流體循環(huán)流動的一種能量傳輸方式[1]。自然循環(huán)作為一種非能動安全傳熱手段在反應(yīng)堆系統(tǒng)中得到越來越越廣泛的應(yīng)用，自然循環(huán)在新一代反應(yīng)堆概念中受到特別的關(guān)注。將自然循環(huán)作為一種正常運行工況是艦船核動力裝置提高安靜性與隱蔽性的重要手段之一。以自然循環(huán)方式帶走熱源熱量的能力稱為系統(tǒng)的自然循環(huán)能力。自然循環(huán)能力的有無和大小是衡量反應(yīng)堆系統(tǒng)非能動安全性及艦船核動力裝置先進性的重要指標之一。在超臨界條件下，在擬臨界區(qū)內(nèi)流體物性隨溫度變化而劇烈變化。在擬臨界區(qū)，巨大的密度差可為閉合系統(tǒng)的自然循環(huán)運行工況提供強驅(qū)動力，而比熱容存在的巨大峰則可在流量一定的條件下為冷卻劑提供巨大的載熱能力，因而，擬臨界區(qū)流體密度的巨變及比熱容的巨大峰值為以超臨界流體為工質(zhì)的閉合系統(tǒng)提供了強自然循環(huán)能力的巨大潛力。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的大小是表征系統(tǒng)自然循環(huán)能力的重要參數(shù)之一，對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的準確預(yù)測有助于評估系統(tǒng)的自然循環(huán)能力。

2 數(shù)學模型

對于穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)，由于回路系統(tǒng)閉合，流體從回路內(nèi)某一點出發(fā)沿流動方向回到該點產(chǎn)生的總壓降為零，自然循環(huán)的驅(qū)動力與總阻力平衡，也就是由冷熱流體間的密度差導致的重位差與回路內(nèi)流體總阻力平衡。若驅(qū)動力增大，循環(huán)流量增大，回路內(nèi)流速增大，總阻力增大，反過來限制流量的增加直至驅(qū)動力與阻力平衡；若驅(qū)動力減小，則發(fā)生相反的過程實現(xiàn)驅(qū)動力與阻力平衡，使自然循環(huán)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)?；谝陨纤枷?，在模擬計算中通過循環(huán)迭代實現(xiàn)回路系統(tǒng)內(nèi)的壓降平衡可得到一定工況下的穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量。由于溫度、壓力、系統(tǒng)阻力等因素通過影響流體物性、系統(tǒng)阻力特性等影響穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量，可以在循環(huán)迭代過程中引入變量改變流體物性及阻力特性實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)參數(shù)影響規(guī)律的模擬研究。

5 結(jié) 論

以簡單矩形回路為對象，給出了基于穩(wěn)態(tài)條件下自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動力與阻力平衡的原則預(yù)測回路內(nèi)超臨界水穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的一種方法，并將預(yù)測結(jié)果與實驗值進行了對比，可以得出以下結(jié)論：

基于穩(wěn)態(tài)條件下自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動力與阻力平衡的原則，通過對自然循環(huán)系統(tǒng)進行合理簡化，并采用適當?shù)目捎糜诔R界條件下的壓降關(guān)系式，進行系統(tǒng)自然循環(huán)流量與壓降之間的迭代計算，可以對自然循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量進行預(yù)測，所選壓降關(guān)系式在亞臨界條件下的計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好，在超臨界條件下的穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量計算結(jié)果較實驗值偏小。這一系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)特性預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果的準確性取決于所選壓降關(guān)系式在相應(yīng)條件下的適應(yīng)性，因而這一方法在一定程度上也可校驗壓降關(guān)系式在超臨界條件下的適應(yīng)性。

參考文獻

[1] Vijay Chatoorgoon. Stability of supercritical fluid flow in a single-channel natural-convection loop[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44：1963-1972.

[2] Manish Sharma，D.S. Pilkhwal，P.K. Vijayan，D. Saha，R.K. Sinha. Steady state and linear stability analysis of a supercritical water natural circulation loop[J]. Nuclear Engineering and Design，2010，240：588–597.

[3] N.M. Rao，Ch. Chandra Sekhar，B. Maiti，P.K. Das. Steady-state performance of a two-phase natural circulation loop[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2006，33：1042–1052.

[4] Igor L. Pioro，Romney B. Duffey，Tyler J. Dumouchel. Hydraulic Resistance of Fluids Flowing in Channels at Supercritical Pressures（Survey）[J]. 2004，231：187-197.

作者簡介：呂發(fā)（1986-），男，工程師。2018年畢業(yè)于中國核動力研究設(shè)計院核能科學與工程專業(yè)，獲博士學位?，F(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工水力研究。

何祖娟（1983-），女，助理研究員。2011年畢業(yè)于哈爾濱工程大學材料物理與化學專業(yè)，獲學士學位?，F(xiàn)主要從事反應(yīng)堆燃料及材料研究。

徐海波（1987-），男，工程師。2012年畢業(yè)于中國核動力研究設(shè)計院核能科學與工程專業(yè)，獲學士學位。現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆總體技術(shù)研究。