第6 講( 3 )-核反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)工況的水力計(jì)算 3

1、Reactor Thermal Hydraulics 1第四章第四章 核反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)工核反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)工況的水力計(jì)算況的水力計(jì)算 4.1 穩(wěn)態(tài)工況下水力計(jì)算的任務(wù) 4.2 流體力學(xué)的一些基本知識(shí) 4.3 單相冷卻劑的流動(dòng)壓降計(jì)算 4.4 汽水兩相流動(dòng)及其壓降計(jì)算Reactor Thermal Hydraulics 2提升壓降2121,1 2elPg Hg HHHH分別為截面 、處流體的垂直高度Reactor Thermal Hydraulics 3加速壓降2221212111()()aPG VVGGvvWVAReactor Thermal Hydraulics 4摩擦壓降22feLVPfDReact

2、or Thermal Hydraulics 5局部壓降PKVc22Reactor Thermal Hydraulics 6汽水兩相流動(dòng)及其壓降計(jì)算 多相流：多種物相（汽、液、固）在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)一起流動(dòng)稱為多相流。 組分：通常把組成物相的化學(xué)成分稱為組分。 由相同化學(xué)成分組成的多相流稱為單組分多相流，否則，則稱為多組分多相流。 兩相流的存在明顯地改變了冷卻劑的傳熱性能和流動(dòng)特性。兩相流的研究對(duì)水冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行是非常重要的。 Reactor Thermal Hydraulics 7一、兩相流的流型 概念：在受熱通道中，汽水混合物的汽相和液相同時(shí)流動(dòng)，可以形成各式各樣的形態(tài)，即所謂流動(dòng)結(jié)

3、構(gòu)，這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)通常就稱之為流型。 重要性：確定兩相流的流型與在單相流中區(qū)別是層流還是湍流是同樣重要的。因?yàn)樵趦上嗔髦?，流型與系統(tǒng)的壓力、流量、含汽量、壁面的熱流量以及通道的幾何形狀和流動(dòng)方位有著密切的聯(lián)系，流型的變更通常表征著動(dòng)量傳遞和傳熱特性的改變，因而不同的流型在通道內(nèi)會(huì)形成不同的流動(dòng)工況，產(chǎn)生不同的流動(dòng)壓降、不同的傳熱方式和沸騰臨界。 Reactor Thermal Hydraulics 8垂直加熱通道中的主要流型 （）泡狀流：液相是連續(xù)相，汽相以汽泡的形式彌散在液相中，兩相同時(shí)沿通道流動(dòng)。這種流型一般發(fā)生在過冷沸騰區(qū)或飽和沸騰低含汽量區(qū)； （）彈狀流：也稱塞狀流或塊狀流，它是柱形汽泡

4、和塊狀液團(tuán)在通道的中心部分交替出現(xiàn)的流動(dòng)。這種流動(dòng)實(shí)際上是泡狀流向環(huán)狀流的過渡階段，因此彈狀流是一種不穩(wěn)定的過渡流型。它一般出現(xiàn)在飽和沸騰中等含汽量區(qū)；Reactor Thermal Hydraulics 9 （）環(huán)狀流：液相在管壁上形成一個(gè)環(huán)形的連續(xù)流，而連續(xù)的汽相則在管道的中心部分流動(dòng)，在液環(huán)中還彌散著汽泡，在汽相中也夾帶著液滴。這種流型出現(xiàn)在飽和沸騰高含汽量區(qū)。 （）滴狀流：通道內(nèi)的流體變成許多細(xì)小的液滴懸浮在蒸汽主流中隨著蒸汽流動(dòng)。而且越接近通道的出口，液滴的數(shù)量越少，液滴的尺寸也越小，直到形成單相蒸汽時(shí)為止。垂直加熱通道中的主要流型 Reactor Thermal Hydraulic

5、s 10垂直加熱通道中的典型流型Reactor Thermal Hydraulics 11Reactor Thermal Hydraulics 12水平流動(dòng)通道中的流型 水平流動(dòng)下的流型組合比垂直流動(dòng)時(shí)的情況略為復(fù)雜，因?yàn)榱鲌?chǎng)在重力作用下，導(dǎo)致較顯著的相分布不均勻性。 常見的水平同向流動(dòng)流型有彌散泡狀流、層狀流、間歇流和彌散環(huán)狀流。 Reactor Thermal Hydraulics 13彌散泡狀流 氣泡彌散在連續(xù)液相中，由于浮力影響，氣泡集中彌散在流道頂部。隨著流速增大氣泡呈泡沫狀均勻彌散于整個(gè)流道。Reactor Thermal Hydraulics 14層狀流 層狀流又可細(xì)分為純層狀流

6、和波狀層狀流。純層狀流下，重力使兩相完全分離，兩相交界面光滑。氣相在流道上部流動(dòng)，液相在流道底部流動(dòng)。隨著氣相流速增大，兩相交界面呈波狀，便進(jìn)入波狀層狀流。Reactor Thermal Hydraulics 15間歇流 間歇流又可細(xì)分為塞狀流、半彈狀流和彈狀流。塞狀流是氣泡呈彈狀且偏置于流道頂部流動(dòng)。彈狀流時(shí)液相呈連續(xù)相，夾雜有小液滴的氣塊處于流道頂部并與泡沫狀液塊相間。半彈狀流和彈狀流的差異僅是泡沫狀液塊界面呈波狀且不與流道頂部相接觸。Reactor Thermal Hydraulics 16彌散環(huán)狀流 水平彌散環(huán)狀流的基本特征與垂直流動(dòng)下的相同。一般不出現(xiàn)純環(huán)狀流動(dòng)，汽芯中往往夾帶著大量

7、彌散液滴。其主要差異是因在重力作用下液膜周向厚度不均勻，流道底部處膜厚大于頂部處的液膜厚度。Reactor Thermal Hydraulics 17流型圖 汽液兩相流的流型與兩相流的流動(dòng)和傳熱特性有很大關(guān)系，因此如何確定流型一直是兩相流研究中的一個(gè)重要課題。在兩相流流量、流體的物性值（密度、粘度、表面張力等）、管道的幾何形狀尺寸以及熱流密度確定的條件下，要判斷管內(nèi)汽液兩相流的流型可應(yīng)用流型圖。流型圖是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)而成，因而應(yīng)用流型圖時(shí)不應(yīng)超過其試驗(yàn)范圍。Reactor Thermal Hydraulics 18二 含汽量、空泡份額和滑速比 兩相流系統(tǒng)的流動(dòng)壓降計(jì)算、傳熱計(jì)算、流動(dòng)穩(wěn)定性分

8、析，除了要涉及到具體流型之外，還必須確定通道中每一處兩相間數(shù)量上的比例關(guān)系，為此引入了含汽量、空泡分額和滑速比的概念。 Reactor Thermal Hydraulics 191 含汽量(即質(zhì)量含汽率) z靜態(tài)含汽量xs 。對(duì)于不流動(dòng)的系統(tǒng)，其靜態(tài)含汽量為考慮一個(gè)長度為z的體積元，有xs汽液混合物內(nèi)蒸汽的質(zhì)量汽液混合物的總質(zhì)量xzAzAzAAAAsggffggggffggxs值的變化范圍是0 xs1。 Reactor Thermal Hydraulics 20z真實(shí)含汽量x x 蒸汽的質(zhì)量流量汽液混合物的總質(zhì)量流量xV AV AV Agggfffggg真實(shí)含汽量x對(duì)于分析過冷沸騰和燒干后的沸

9、騰工況十分重要，因?yàn)樵谶@兩個(gè)區(qū)域內(nèi)汽液兩相處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)。Reactor Thermal Hydraulics 21z平衡態(tài)含汽量xe 式中是汽液兩相混合物的焓，Hfs是液體的飽和焓，Hfg是汽化潛熱。平衡態(tài)含汽量可以為負(fù)，也可以為正和大于1。若xe為負(fù)，則說明流體是過冷的；若xe大于1，則說明流體已為過熱蒸汽。xHHHefsfg() /Reactor Thermal Hydraulics 222 空泡份額z在靜止的汽液混合物中，定義為蒸汽的體積與汽液混合物總體積的比值 /ugufugVVVReactor Thermal Hydraulics 23/gfggAZAAZAA式中的Ag和Af

10、分別是蒸汽和液體在通道內(nèi)所占據(jù)的流通截面積。因?yàn)锳g+Af=A，由此可見，在數(shù)值上恰好等于蒸汽所占據(jù)的通道截面積的份額。在流動(dòng)的系統(tǒng)中，定義為該區(qū)段蒸汽的體積與汽液混合物總體積的比值Reactor Thermal Hydraulics 24空泡份額沿加熱通道的分布如下圖： Reactor Thermal Hydraulics 25I-高過冷沸騰區(qū)高過冷沸騰區(qū), 液體主流是高度過冷的，汽泡在加熱面上以起沫方式生成，很稀疏，并且是貼附在壁面上的，汽泡長大和消失不滲透到主流中去，在這一區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽實(shí)質(zhì)上是一種壁面效應(yīng)。在該區(qū)內(nèi)，由于汽泡小，而且少，在許多實(shí)際分析中，這種空泡的影響一般可忽略不計(jì)。

11、Reactor Thermal Hydraulics 26II-低過冷沸騰區(qū) 低過冷沸騰區(qū), 過冷沸騰充分發(fā)展，生成的汽泡越來越多，汽泡層越積越厚，空泡的作用明顯地表現(xiàn)出來。在摩擦力和浮升力的作用下汽泡不斷沿壁面滑動(dòng)，且當(dāng)作用在汽泡上的摩擦力和浮升力剛好超過它吸附在加熱面上的表面張力和慣性力時(shí)便躍離加熱面而逸入主流。進(jìn)入主流的汽泡，通常在下游過冷液芯內(nèi)緩慢冷凝消失，也有一部分還來不及完全冷凝就被帶到下游飽和沸騰區(qū)。該區(qū)域，主流中存在明顯的汽泡流，所以該區(qū)域是兩相流。該區(qū)域通道任意截面上的汽液兩相處于熱力學(xué)不平衡狀態(tài)，液相的溫度低于系統(tǒng)壓力下的飽和溫度。該區(qū)內(nèi)空泡份額經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式： Reactor

12、 Thermal Hydraulics 27Reactor Thermal Hydraulics 28III-飽和沸騰區(qū)飽和沸騰區(qū)，按平衡態(tài)模型，應(yīng)該從S點(diǎn)開始，按非平衡態(tài)模型，從E點(diǎn)開始，流體到達(dá)E點(diǎn)后，液相的溫度才真正達(dá)到飽和值，在E點(diǎn)之前，加熱量的一部分要用于生成過冷空泡，無法保證液體溫度達(dá)到飽和，只有到E點(diǎn)以后，加熱量才全部用于生成汽泡，而不需要增加液體溫度，汽液兩相處于飽和狀態(tài)。Reactor Thermal Hydraulics 29也有一些關(guān)系式，不需要知道滑速比。對(duì)于泡狀流，班科夫(Bankoff):飽和沸騰區(qū)空泡份額飽和沸騰區(qū)的空泡份額和滑速比都隨流型而變化?；俦韧ǔＳ蓪?shí)驗(yàn)

13、求得。Reactor Thermal Hydraulics 30Reactor Thermal Hydraulics 313 滑速比 在兩相流中，蒸汽的平均速度和液體的平均速度可以相等，也可以不相等。若其中蒸汽的平均速度是Vg，液體的平均速度是Vf，則定義Vg與Vf之比為滑速比S，即SVVgf/Reactor Thermal Hydraulics 32在垂直向上流動(dòng)的兩相系統(tǒng)中，由于蒸汽的密度小，受到浮力的作用，因而蒸汽的運(yùn)動(dòng)速度要比液體快，這樣蒸汽和液體之間便產(chǎn)生了相對(duì)滑移，S1.如果混合物的總質(zhì)量流量為Wt，則蒸汽的質(zhì)量流量為xWt，而液體的質(zhì)量流量為(1-x)Wt，故有：;(1)1tgg

14、gtfffgfffggxWA Vx WA VVAxSVx AReactor Thermal Hydraulics 334 含汽量、空泡份額和滑速比間的關(guān)系 處于靜止的單位質(zhì)量的汽液混合物中，蒸汽的體積等于它的質(zhì)量乘上它的比容，于是有fg(1)11 (1)/(/)sgsgsfssx vx vx vxxvvvf是液體的比容，vg是蒸汽的比容。上式表明，在系統(tǒng)壓力不十分高時(shí)，一個(gè)很小的Xs會(huì)導(dǎo)致一個(gè)可觀的值。但在高壓下，這個(gè)差別將縮小，在臨界壓力下，由于汽液相已不能區(qū)分，這時(shí)不存在問題了。Reactor Thermal Hydraulics 34對(duì)于流動(dòng)系統(tǒng)，/(1)/gfgfgAAAAA可得到包括

15、滑移影響在內(nèi)的與X之間的關(guān)系式，11111()1()()fgvxxSxxv上式表明，在壓力和含汽量不變時(shí)，隨著S的增加而減少，可見S的值越大，對(duì)中子的慢化越是有利。Reactor Thermal Hydraulics 35由前面可知，只要知道了滑速比S，就可以計(jì)算出。但滑速比需要實(shí)驗(yàn)測(cè)定。為此，一些學(xué)者建立了有關(guān)模型，可以不需要知道S，而用公式直接求。5 空泡份額的計(jì)算 對(duì)于泡狀流，班科夫公式11()gseefsKKxxK稱為體積含汽率，為無因次量對(duì)于汽水混合物：K=0.71+1.45*1E-8PReactor Thermal Hydraulics 36對(duì)于環(huán)狀流，Maritinelli-Ne

16、lson公式1(1)eexxXe為平衡態(tài)含汽量，為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)壓力(Mpa)0.101.724.148.6214.4820.6822.12246.040.020.09.83.952.151.0Reactor Thermal Hydraulics 37三 兩相流動(dòng)壓降計(jì)算 dpdzdpdzdpdzdpdzfaelReactor Thermal Hydraulics 38兩相流分析方法 許多情況下不可能知道系統(tǒng)中相繼出現(xiàn)的流型，因而也不可能對(duì)特定的流動(dòng)型應(yīng)用專門的處理方法。為此，專門研究了一種無需特別考慮流型而使之適用于進(jìn)行熱工水力分析的方法。 這種方法通常是根據(jù)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的兩相流型，先建立一定的物

17、理模型；繼之按照所建立的物理模型合適地定義兩相流的特性參數(shù)；最后再應(yīng)用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)和傳熱學(xué)方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。目前廣為應(yīng)用的物理模型有“均勻流模型”和“分離流模型”Reactor Thermal Hydraulics 39均勻流模型 它是把兩相流看作是一個(gè)具有從每一相物性導(dǎo)出的平均物性的假想單相流。 均勻流模型的基本假設(shè)是：(i)汽相和液相的流速相等（S=1）；(ii)兩相間處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)（x=xe）；(iii)使用合理確定的單相摩擦系數(shù)。這個(gè)模型適用于分析泡狀流和滴狀流，特別是流速大和壓力高的情況Reactor Thermal Hydraulics 40均勻流模型的兩相壓降表達(dá)式22

18、2sintpfaeldpdpdpdpG vdvfGgdzdzdzdzDdz111egsefsvx vxv其中 式中xe 、vgs 、vfs分別為平衡態(tài)含汽量、飽和蒸汽比容、飽和水比容； ftp為范寧摩擦系數(shù)，ftp= ftp/4， ftp為達(dá)西摩擦系數(shù)。Reactor Thermal Hydraulics 41兩相摩擦系數(shù)ftp 求ftp就成為求解均勻流兩相壓降的關(guān)鍵。已經(jīng)發(fā)展了些用來確定ftp的方法，其中最簡單和最常用的方法是先定義一個(gè)合適的混合物的“平均粘度” ，然后再用標(biāo)準(zhǔn)的摩擦系數(shù)關(guān)系式進(jìn)行求解。 Reactor Thermal Hydraulics 42平均粘度關(guān)系式 由麥克亞當(dāng)斯等提出的 由西希蒂等提出的 由杜克勒等提出的 111gfxx 12gfxx 13ggffxvx vReactor Thermal Hydraulics 43兩相摩擦系數(shù)ftp的求解 假設(shè)兩相摩擦系數(shù)按伯拉修斯關(guān)系式求： 如果 用麥克亞當(dāng)斯等提出的關(guān)系式求，則可得到下面的兩相摩擦壓降梯度表達(dá)式 0.250.079/tpfGD0.25011gffgfffggfgffgfgvdpdpxxdzdzvvvv 其中，Reactor Thermal Hydraulics 44兩相摩擦壓降倍數(shù)200fffdpdpdzdz 0.252011gffgffsgsvxxv(/)dp dzf 0表示把