基于两流体模型的两相流自然循环水力学相似特性研究

In nuclear power industry, natural circulation flow is the primary mean to remove the reactor core decay heat, and is also the working mechanism of some passive safety systems. Because the nuclear power plant is quite huge, the scaled-down test facilities are usually utilized to model the natural circulation flow of the prototype plant and assess the reliability of the passive safety systems, which is called the IETs (Integral Effect Tests). Consequently the scaling analysis is the key to the IETs. The traditional idea is just to obtain the dimensionless similarity groups of two-phase natural circulation flow based on either homogeneous model or drift flux model. And, neither are clarified the relationship between the dimensionless groups, nor the scaling distortions are analyzed. In this research, by adopting the analysis method of the systematic governing equations the hydraulic similarity groups are derived based on the two-fluid model. And, the relationship between them will be established, so that the hydraulic similarity of two-phase natural circulation flow can be clarified. The ATLAS model、the improved ATLAS model and the APR1400 reactor model would be utilized to simulate the same two-phase natural circulation case, so that the proposed similarity groups can be assessed and the scaling distortion can be analyzed. By updating the two-phase natural circulation flow facility in our college, the two-phase natural circulation tests will be performed. The proposed hydraulic similarity groups can be applied to assist the design of the scaled-down natural circulation facility, correlate the natural circulation test data and analyze the hydraulic scaling distortion.

在核能领域，自然循环是反应堆带走堆芯余热的主要方式，也是一些非能动安全系统运行的工作原理。因为核反应堆系统比较庞大，通常是在缩小尺寸的模型装置上研究原型反应堆的自然循环现象和验证非能动安全系统的可靠性，即模化实验研究。而相似特性分析是模化实验研究的基础。传统的方法都是基于均相流模型或漂移流模型获得两相流自然循环相似无量纲数，既没有明确各相似无量纲数之间的关系，也没有分析相似失真。本研究基于两流体模型，采用系统方程分析法推导两相流自然循环的水力学相似准则数，创新点在于建立各相似准则数之间的关系，并诠释两相流自然循环水力学相似特性。并应用ATLAS模型、ATLAS改进模型和APR1400反应堆模型验证所推导的相似准则数和相似理论。通过改造学院的自然循环实验装置开展两相流自然循环实验。所推导的相似准则数可为模型实验装置的设计、自然循环数据的拟合与处理和水力学相似失真分析提供理论依据和分析方法。

自然循环在能源动力领域有广泛的应用。特别是在核能领域，基于自然循环原理的非能动安全系统是提高反应堆安全性和可靠性的重要方式。为保证反应堆的安全以及满足反应堆安全审核的要求，上述的非能动安全系统的自然循环性能和可靠性通常需要经过实验验证。核反应堆系统体积庞大，而且热功率也很大，设计建造原型尺寸的实验装置显然不现实。所以，通常是在缩小尺寸的实验装置上开展自然循环实验以及各类验证性实验。将原型反应堆或者安全系统按一定比例缩小，以怎样的比率缩小才能保证自然循环水力学相似或者使水力学相似失真最小？本研究基于两流体模型，考虑两相流体流速不同和密度不同，对两相流自然循环系统各相流体动量方程进行无量纲化，获得了两相流自然循环水力学相似准则数。基于所获得的相似准则数，获得了保证两相流自然循环水力学相似的几何比例相似条件。这些结果可为两相流自然循环系统的设计提供理论参考。在项目实施过程中，设计并安装了两套小型的自然循环实验装置，以研究自然循环流动特性。并且，应用FLUENT程序模拟了小管径矩形回路内的自然循环流动。吸取之前实验研究经验，设计并定制加工了一套水蒸气加压生成装置，以便可控制两相流压力和稳定两相流运行参数，进行两相流流阻特性实验研究。在项目实施过程中，培养了三名本科生，正在指导一名研究生开展自然循环流动特性研究。