大型先进压水堆非能动安全壳外部冷却的水膜动力学特性研究

大型先进压水堆是我国未来能源发展的重要方向，大量采取"非能动"技术来确保系统的安全，安全壳外部冷却即为最重要的措施之一。水膜是这一过程重要的介质，其动力学特性对于实际冷却能力具有决定性作用，因此需要深入研究。由于现有小尺度水膜结构测量的精度较差，无法为理论研究提供可靠的实验数据，因此也就不能准确获得水膜动力学特性。本项目在现有先进电容探针的基础上，优化探针结构和电路测量范围，开发出性能优良的小尺度水膜结构测量系统；并在实际回路上进行动态实验研究，测得准确的水膜结构参数；以此为基础，分析水膜结构的形成机理，获得传热能力和水膜结构的关系，尤其要得得不同运行参数下，最佳传热能力对应的水膜结构参数；在上述工作的基础上，最终目标是认识水膜结构规律，建立相应的水膜动力学模型，为实际大型先进压水堆安全壳外部冷却系统的开发提供技术支持。

水膜动力学特性对于非能动安全壳外部冷却过程至关重要。本项目采用实验研究和理论分析相结合的研究方法，对大型先进压水堆非能动安全壳外部水膜动力学特性进行研究，总体上按照研究内容开展并实现了预期目的，局部工作取得突破性开展，具体的研究成果总结如下：.（1）参数模化。本项目研究对象为非能动自然循环两相流系统，实际物理对象尺寸庞大，不可能在实验室搭建，因此推导出合适的模化方法至关重要。根据大型先进压水堆实际运行参数，推导出了合理的模化结果，将小的水膜尺度放大到常规尺度范围，得到了相应的水膜流量、界面速度等均需做相应变化；.（2）探针的研制。液膜厚度测量的是否准确可靠是本项目成败的关键。鉴于现有“电导探针”易受水的电导率和温度等参数的影响，提出了“基于电容测量的两相流参数测量方法”，能够有效克服已有探针的缺点，精度大约提升30%。不但能够测量气水两相流中的参数。还能够广泛应用到多种两相和三相流中，从原理上彻底认清了这种新型探针的工作原理，并定量分析了误差来源，为这种新型探针的广泛应用和推广奠定了足够的基础；.（3）动态实验研究。改变各项运行参数，在实验台上进行实验研究，利用探针测量系统对气水两相流下的水膜结构参数进行测量；水膜厚度测量采用了两套方法，一是直接利用新型的“单丝电容探针”直接测量水膜厚度，进一步分析得到了液膜的各项统计参数，如波动幅度，界面波形状和界面波传递速度等；二是采用了“点接触法”，先测量出介于界面波“峰”和“谷”之间某些点的局部相含率，然后通过概率统计的方法，得到液膜厚度的平均结果；.（4）水膜动力学特性模型的建立和非能动自然循环两相流机理的认识。采用商用软件对水膜流动传热过程进行数值模拟，分析各项运行参数的作用过程。根据分析结果，得到速度场、温度场对传热、阻力的影响，明确最佳传热性能和水膜结构的关系，以此为基础建立水膜动力学特性的模型。进一步地，对非能动自然循环两相流的机理认识和工程应用有了深入的了解，之前申请的相关专利在2012年转让给山东鲁能集团；本人在这方面的工作引起国际同行的关注，应邀参与美国和韩国合作研究的“APR1400先进压水堆堆芯捕集器的研究”，本人的工作是将本项目的部分成果（两相流测量方法和机理分析）应用到APR1400的设计当中。.