新概念球床水冷反应堆内的流动沸腾换热研究

水冷球床反应堆是一种将球形核燃料元件的设计优点与成熟水冷反应堆技术有机结合起来的新概念小型反应堆，具有很高的经济性和安全性，在特殊领域极具发展潜力。目前，国际上对于该型反应堆的研究总体上处于概念设计阶段，我国也处于起步阶段，有许多科学问题有待深入研究。本课题针对涉及反应堆安全与反应堆性能的关键热工水力问题，对水工质以较高流速流过强内热源球床所经历的流动沸腾起始点和沸腾换热及流型与流型演变开展实验研究与理论分析，重点获取球床通道中的温度分布、局部换热和平均换热特性；深刻认识流动沸腾中的汽泡行为、换热机理、两相流型结构及其演变过程；完善实验技术；分析流动参数、几何参数和加热功率密度对流动和传热的影响；确定沸腾起始点的计算方法和判断准则等，提高我国在该领域的科学研究水平。

水冷球床反应堆是一种将球形核燃料元件的设计优点与成熟水冷反应堆技术有机结合起来的新概念小型反应堆，具有很高的经济性和安全性，在特殊领域极具发展潜力。国际上对于该型反应堆主要是进行了一些概念设计，本课题率先在以下以下几方面开展了探索性研究：.1、利用PFC3D（Partical Flow Code in 3 Dimensions）软件和自编程序相结合的方法，成功地克服了球床随机填充和奇点处理的困难，在此基础上，采用FLUENT软件对球床通道内流动特性进行了数值模拟，对不同流动状态下通道内不同位置的速度场分布进行了分析比较，对球床通道内层流和湍流两种流动状态下的阻力和传热特性进行网格适用性分析，确定了合理的网格划分准则，实现了在保证计算精度的条件下，能有效地控制整体网格数量。.2、采用电磁感应整体加热技术，以水为工质，利用直径5~12 mm的金属球，对含强内热源球床通道的单相强迫对流换热、过冷流动沸腾换热、饱和流动沸腾换热和流动沸腾两相阻力压降进行了比较系统的实验研究，对相关影响因素进行了深入分析，导出了相应的计算关系式。同时，本研究也对沸腾滞后现象进行了实验测量，结果表明，在含内热源球床通道中虽仍然存在沸腾滞后，但滞后程度要远小于大容积沸腾和光滑管内的流动沸腾。.3、对沸腾起始点和汽泡行为进行了实验测量和可视化观察，结果表明，含内热源球床通道内的沸腾起始点变化规律和汽泡行为特性与常规通道有较大差异，球床通道内的汽泡不仅存在滑移，还有明显的“再长大”现象；不同角区结构形式，对汽泡的生成频率及脱离直径均产生较大影响。 .4、利用高速摄像对含内热源球床通道中的流动沸腾流型进行了可视化观察，在对流型图像进行处理和分析的基础上，得到了汽泡的相关特征参数，以此为基础确定了汽泡的大小、形状及其速度的分布特征，研究了质量含汽率和颗粒直径等因素对以上特征量的影响，对汽泡之间的相互作用机制进行了分析讨论，划分了沸腾流型的种类，研究了热流密度、质量流速和小球直径等参数对流型及其转变的影响，并绘制了适用于球床通道中流动沸腾的流型图。