堆内释出的热量是由循环流动的冷却剂带出堆外的。堆芯的输热能力以及作用在堆内构件上的作用力都与冷却剂的流动特性密切相关。因此,在进行反应堆热工水力分析时,不仅要弄清楚堆内的热源分布和传热特性,而且也要弄清楚与堆内冷却剂流动有关的流体力学问题。只有对这两个方面的问题都有了充分的认识,才能使所设计的反应堆具有良好的经济性和安全性。水力分析大致包括以下几个方面:
①分析计算冷却剂的流动压降,确定堆芯冷却剂的流量分配和回路管道、部件的尺寸以及冷却剂循环泵所需要的唧送功率。冷却剂的流量分配是计算堆芯冷却剂焓场、燃料元件的温度场和临界热流密度必不可少的参量。它直接影响反应堆的输热能力。在反应堆热工水力设计中,设计者应尽量设法使堆芯冷却剂的流量分配与释热分布相匹配,这样就可以最大限度地输出堆内释放的热量,提高反应堆的运行功率。此外,冷却剂循环泵或循环风机所需要的唧送功率,也取决于冷却剂的流量和在反应堆系统中流动所产生的总压降。在大多数动力堆系统中,冷却剂是靠泵或风机强迫循环的,为了克服冷却剂所流经的包括反应堆堆芯、管道、蒸汽发生器在内的一回路的压力损失,必须给循环的冷却剂提供相应的驱动压头,为此就需要消耗唧送功率。唧送功率的大小与一回路冷却剂的流量和压力损失有关。为了降低冷却剂的唧送功率,提高反应堆的经济性,就必须相应地降低冷却剂的流量和增大一回路管道和部件的尺寸。然而这些措施又与强化堆芯传热、降低一回路部件的制造成本相矛盾。因此,合理地确定堆芯冷却剂的流量和一回路管道的尺寸,往往要在反应堆的经济性和堆芯的传热特性两者之间折中。
②确定系统自然循环输热能力。对采用自然循环冷却的反应堆,或利用自然循环输出停堆后的衰变热,需要通过水力计算确定在一定的反应堆功率下的自然循环水流量,配合传热计算,确定堆的自然循环输热能力。(www.daowen.com)
③分析系统的流动稳定性。对于存在汽水两相流动的装置,如反应堆堆芯或蒸汽发生器等,要对其系统的流动稳定性进行分析。在有可能发生流量漂移或流量振荡的情况下,还应在弄清流动不稳定性性质的基础上,寻求改善或抑制流动不稳定性的方法。
从工程的观点来看,研究两相流最终目的是确定给定流动的传热和压降特性。在核反应堆中,可能是堆芯中的平行流道中的流动,也可能是事故工况中的大流道或者连接管。其中一个非常重要的边界条件是有否传热,因为绝热流动与有传热的流动有很大的差异。在后一种工况中,传热导致相变而改变相分布和流型;另一方面,这又带来流体力学特性的不同,比如在流动方向压降特性不同,并带来对传热的影响。此外,因为大气泡骤然产生并改变管道中的压降特性,进而引起流体的状态发生改变并影响相分布和流型,因此在管道中低压单组分的两相流很难是充分发展的。各种实验观察表明,两相流动高度复杂,上游的流动历史不清楚,使当地截面或点的流动状况描述很不充分。水力学不稳定性及有时因各相会偏离热力学不平衡引入额外的复杂性。为了避免这些复杂性,引入了许多全局的分析和实验,并取得了部分的成功,这些都是基于流型充分发展并没有热导入的假设来得到的。因此目前对于绝热两相流中的流型、相分布及压降特性积累了大量的知识,这些绝热两相流通常是两组分气-液混合物(如果在石油工业中)的流动问题。
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