飽和蒸汽在自由過冷液面直接接觸冷凝特性的研究.pdf

1、當(dāng)核反應(yīng)堆處于失水事故時，利用堆芯補(bǔ)水箱(CMT)內(nèi)含硼水的重力特性對堆芯進(jìn)行非能動注水，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急堆芯冷卻。但在注水初期，由于蒸汽在過冷液面上的快速冷凝，導(dǎo)致CMT內(nèi)壓力劇烈變動，注水流量小，影響反應(yīng)堆安全。本文對CMT內(nèi)飽和蒸汽在自由過冷液面上直接接觸冷凝的瞬態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，得到了系統(tǒng)壓力響應(yīng)特性，CMT內(nèi)液體溫度場分布和汽液界面凝結(jié)換熱系數(shù)等主要研究結(jié)果，并對遮流板延緩凝結(jié)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 建立了可視化實(shí)

2、驗(yàn)臺對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)初期，蒸汽射流高速沖入液面層，在一倒圓錐形的兩相作用區(qū)內(nèi)，大部分蒸汽與深度過冷的液體混合而湮滅，僅余少量蒸汽以小汽泡的形式升至CMT汽空間。在短時間內(nèi)，汽穴逐漸減小，液面開始劇烈波動，伴隨著大量細(xì)小氣泡的生成和消失，隨著實(shí)驗(yàn)過程的進(jìn)行，液面波動減緩，蒸汽只有少量凝結(jié)，余汽聚集成大汽團(tuán)進(jìn)入CMT蒸汽空間，系統(tǒng)壓力逐漸達(dá)到平衡。在實(shí)驗(yàn)后期，隨著液面層整體溫度的升高，兩相作用區(qū)逐漸消失，蒸汽在近乎水平的液面上

3、發(fā)生較弱的凝結(jié)，系統(tǒng)壓力基本維持不變。根據(jù)凝結(jié)現(xiàn)象的不同，本文提出將蒸汽的凝結(jié)過程分為“壓力平衡”和“壓力穩(wěn)定”兩個階段。在“壓力平衡”階段，無遮流板時凝結(jié)換熱系數(shù)在3105W/m2·K-9410W/m2·K之間，有遮流板時凝結(jié)換熱系數(shù)在180W/m2·K-2138W/m2·K之間，采用遮流板后凝結(jié)換熱系數(shù)降低了76％-85％，延緩凝結(jié)的效果非常明顯。在“壓力穩(wěn)定”階段，凝結(jié)換熱系數(shù)較低，其值在50W/m2·K-100W/m2·K之間，

4、遮流板對這個階段的凝結(jié)換熱系數(shù)基本沒有影響。在“壓力平衡”階段，凝結(jié)換熱系數(shù)隨初始壓力的升高而增大，隨初始溫度的升高而降低，在“壓力穩(wěn)定”階段，初始壓力和初始溫度的變化對凝結(jié)換熱系數(shù)沒有明顯的影響； 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸了有遮流板和無遮流板不同凝結(jié)模式下的平均換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，公式適用范圍：PRZ初始壓力200～600KPa，CMT初始溫度10～80℃。無遮流板：Nu=0.15Ret0.7pr0.3壓力平衡階段Nu=0.27(G

5、r·Pr)0.2壓力穩(wěn)定階段有遮流板Nu=CRet0.4Gr0.25·pr0.25壓力平衡階段遮流板1＃C=0.043遮流板2＃C=0.037Nu=0.27(Gr·Pr)0.2壓力穩(wěn)定階段 系統(tǒng)壓力響應(yīng)特性主要受PRZ的初始壓力和CMT的初始溫度影響，相同初始溫度下，初始壓力越高，壓力平衡時間越長，平衡壓力越高，相同初始壓力下，初始溫度越高，壓力平衡時間越短。遮流板的加入縮短了系統(tǒng)壓力平衡需要的時間，與無遮流板相比，壓力平衡時間

6、縮短了20％-70％，PRZ初始壓力越高，CMT溫度初始越低，縮短的程度越大。在相同的初始壓力和溫度下，有遮流板時的系統(tǒng)平衡壓力高于無遮流板時的平衡壓力，且隨著初始壓力增加，兩者間的壓差逐漸增大。首次采用浮動式測溫裝置對液面溫度進(jìn)行了測量，無遮流板時，由于汽流沖入的攪動作用，液面徑向各點(diǎn)的溫度產(chǎn)生震蕩，溫度分布不均勻，PRZ的初始壓力和CMT水的初始溫度越高，液面震蕩的幅度越大，持續(xù)的時間越長。有遮流板時，液面的波動小，徑向溫度分布比較

7、均勻，溫度升高的幅度小于無遮流板的情況，遮流板直徑增大，表面溫度的波動減小。 CMT內(nèi)水的軸向溫度分布具有熱分層特性，上部為熱水層，下部為冷水層，熱水層內(nèi)溫度變化劇烈，吸收了蒸汽在液面凝結(jié)放出的大部分熱量。而冷水層的溫度在實(shí)驗(yàn)過程中基本保持不變。無遮流板時，熱水層厚度在42-370mm之間，在相同的初始溫度下，PRZ初始壓力越高，熱水層厚度越大，在相同的初始壓力下，初始溫度越高，熱水層厚度越大，比較而言，壓力對熱水層厚度的影響程

8、度比溫度更大一些。有遮流板時，熱水層厚度在15-57mm之間，與無遮流板相比，熱水層厚度減少了59.5％-84.6％。在相同的初始溫度下，PRZ初始壓力越高，熱水層厚度越大，在相同的初始壓力下，初始溫度對熱水層厚度影響較小。本文采用能量守恒原理，提出了熱水層厚度的一種計(jì)算方法，并回歸了實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。 在數(shù)值模擬計(jì)算中，采用VOF模型，可以模擬出CMT內(nèi)汽液界面的變化趨勢及蒸汽空間的速度場分布，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，但由于沒有考慮凝結(jié)