摇摆对自然循环条件下堆芯通道内流动与传热的影响

Regarding the rod-bundle channels and narrow rectangular channels in the reactor core as the objects of the research, using visualized test section, and advanced techniques such as Particle Image Velocimetry (PIV) and high-speed photography are adopted to investigate the effects of rolling motion on the flow field and bubble behaviors of the coolant in the reactor core channels under natural circulation condition. Based on the direct images and data obtained from the experiments, the mechanism of the additional forces on the reactor thermal hydraulics under natural circulation condition will be analyzed. Combining the measurement results of the pressure drop and the flow rate in the test section, as well as the visualization results, the impacts of rolling motion on the flow rate and loss of stability will be investigated. Influences of additional forces caused by rolling motion on the cross-flow in rod-bundle channels and asymmetrical flow in the narrow rectangular channels will be investigated as well. The effects of rolling motion on heat transfer in the reactor core channels under natural circulation condition will be investigated, especially focusing on the change of heating wall temperature and heating rate before and after the loss of stability, which can provide the basis for the heat transfer safety analysis of the reactor core. Theoretical analysis of the effects of rolling motion on the natural circulation is conducted；mutual verifications are executed with experimental data to achieve a reasonable results. This project can reveal the effects of rolling motion on the natural circulation in the reactor core channels, provide basis for the establishment of the thermal-hydraulic computation models and program developments of the reactor under rolling motion condition.

本项目以反应堆堆芯棒束通道和窄隙通道为研究对象，采用可视化实验段，利用PIV和高速摄影等先进技术，研究摇摆对冷却剂自然循环时堆芯通道内流场和气泡运动行为的影响；根据所获得的直观视频和数据，分析附加外力对自然循环条件下堆芯通道热工水力特性影响的机理。根据实验段压差和流量的测量及可视化结果，研究摇摆对自然循环流量和流动失稳的影响，研究摇摆附加外力对棒束子通道间的交混和窄隙通道内流动不对称性的影响。研究摇摆对自然循环条件下堆芯通道传热的影响，重点研究流动失稳前后加热面壁温和传热量的变化，为堆芯传热过程的安全分析提供基础依据。进行摇摆对自然循环影响的理论分析，将实验结果与理论分析结果比较并相互验证。本项目揭示了自然循环条件下堆芯通道热工水力特性受摇摆的影响，可为摇摆条件下反应堆热工水力计算模型的建立和程序开发提供基础依据。

由于其固有安全性，自然循环被广泛应用于先进核反应堆系统。在摇摆条件下，自然循环系统的热工水力特性会发生改变，进而影响系统的运行特性。本项目以棒束通道和窄矩形通道为研究对象，对摇摆条件和自然循环工况下堆芯通道的流动传热特性进行了研究，揭示了自然循环条件下堆芯通道热工水力特性受摇摆运动的影响机理，为摇摆条件下的反应堆热工水力分析提供了基础依据。.本项目对摇摆条件下堆芯通道内的自然循环气泡行为和流场变化进行了研究。根据可视化结果得到了沸腾起始点的判定标准，给出了摇摆条件下的变化规律和计算关系式。研究发现通道中主要存在两种气泡类型，得出气泡速度主要由直径和主流速度决定，给出了气泡直径、速度、密度随热工和摇摆参数的变化规律。通过受力分析，得出力场改变本身对气泡行为的影响不明显，主要影响因素是摇摆引起的热工参数变化。指出摩擦阻力系数随雷诺数的变化和摇摆过程中的流态变化是摇摆条件下堆芯通道内流动阻力变化的主要机理，并得到了摇摆条件下自然循环系统归一化流量的计算式。.对摇摆条件下自然循环流动失稳进行了研究。发现了三种类型的流动失稳，给出了流动失稳条件下热工参数变化规律并分析了不同类型的流动失稳机制。摇摆条件下的流动失稳分为波谷型波动和复合型波动两类，蒸汽进入绝热段后迅速被冷凝和驱动压头变化分别是两类流动失稳的主要原因。此外，摇摆会造成系统不稳定起始点对应的功率降低，但随着系统内蒸汽含量增加，流量的变化特性与竖直工况越来越接近，同时获得了稳态和摇摆条件下的失稳边界及预测关系式。.对摇摆条件下堆芯通道内的自然循环传热特性进行了研究。对于矩形通道，Yang关系式能很好地预测单相传热特性，摇摆运动会使自然循环时均流量降低，但时均换热系数在层流区和湍流区变化不大。Yan关系式能够很好地预测两相沸腾传热特性，竖直条件下的计算模型可以预测摇摆时均值。对于棒束通道，自然循环工况下换热特性受自然对流影响较大，基于实验数据及理论分析提出了自然循环混合对流计算式。摇摆条件下，换热系数滞后于主流速度的变化，并提出了时均单相对流换热系数关系式。Thom关系式和Liu & Winteron关系式分别适用于欠热沸腾和饱和沸腾换热系数的计算。摇摆对两相瞬时换热特性的影响主要由流量波动引起，法向惯性力引起的换热特性变化较小，且摇摆对棒束通道内时均沸腾换热特性影响不明显。