飽和蒸汽在自由過冷液面直接接觸冷凝特性的研究.pdf

1、當核反應堆處于失水事故時，利用堆芯補水箱(CMT)內含硼水的重力特性對堆芯進行非能動注水，實現(xiàn)應急堆芯冷卻。但在注水初期，由于蒸汽在過冷液面上的快速冷凝，導致CMT內壓力劇烈變動，注水流量小，影響反應堆安全。本文對CMT內飽和蒸汽在自由過冷液面上直接接觸冷凝的瞬態(tài)特性進行了實驗研究和數(shù)值模擬，得到了系統(tǒng)壓力響應特性，CMT內液體溫度場分布和汽液界面凝結換熱系數(shù)等主要研究結果，并對遮流板延緩凝結特性進行了系統(tǒng)研究。 建立了可視化實

2、驗臺對實驗現(xiàn)象進行觀察，發(fā)現(xiàn)在實驗初期，蒸汽射流高速沖入液面層，在一倒圓錐形的兩相作用區(qū)內，大部分蒸汽與深度過冷的液體混合而湮滅，僅余少量蒸汽以小汽泡的形式升至CMT汽空間。在短時間內，汽穴逐漸減小，液面開始劇烈波動，伴隨著大量細小氣泡的生成和消失，隨著實驗過程的進行，液面波動減緩，蒸汽只有少量凝結，余汽聚集成大汽團進入CMT蒸汽空間，系統(tǒng)壓力逐漸達到平衡。在實驗后期，隨著液面層整體溫度的升高，兩相作用區(qū)逐漸消失，蒸汽在近乎水平的液面上

3、發(fā)生較弱的凝結，系統(tǒng)壓力基本維持不變。根據(jù)凝結現(xiàn)象的不同，本文提出將蒸汽的凝結過程分為“壓力平衡”和“壓力穩(wěn)定”兩個階段。在“壓力平衡”階段，無遮流板時凝結換熱系數(shù)在3105W/m2·K-9410W/m2·K之間，有遮流板時凝結換熱系數(shù)在180W/m2·K-2138W/m2·K之間，采用遮流板后凝結換熱系數(shù)降低了76％-85％，延緩凝結的效果非常明顯。在“壓力穩(wěn)定”階段，凝結換熱系數(shù)較低，其值在50W/m2·K-100W/m2·K之間，

4、遮流板對這個階段的凝結換熱系數(shù)基本沒有影響。在“壓力平衡”階段，凝結換熱系數(shù)隨初始壓力的升高而增大，隨初始溫度的升高而降低，在“壓力穩(wěn)定”階段，初始壓力和初始溫度的變化對凝結換熱系數(shù)沒有明顯的影響； 根據(jù)實驗結果回歸了有遮流板和無遮流板不同凝結模式下的平均換熱系數(shù)的實驗關聯(lián)式，公式適用范圍：PRZ初始壓力200～600KPa，CMT初始溫度10～80℃。無遮流板：Nu=0.15Ret0.7pr0.3壓力平衡階段Nu=0.27(G

5、r·Pr)0.2壓力穩(wěn)定階段有遮流板Nu=CRet0.4Gr0.25·pr0.25壓力平衡階段遮流板1＃C=0.043遮流板2＃C=0.037Nu=0.27(Gr·Pr)0.2壓力穩(wěn)定階段 系統(tǒng)壓力響應特性主要受PRZ的初始壓力和CMT的初始溫度影響，相同初始溫度下，初始壓力越高，壓力平衡時間越長，平衡壓力越高，相同初始壓力下，初始溫度越高，壓力平衡時間越短。遮流板的加入縮短了系統(tǒng)壓力平衡需要的時間，與無遮流板相比，壓力平衡時間

6、縮短了20％-70％，PRZ初始壓力越高，CMT溫度初始越低，縮短的程度越大。在相同的初始壓力和溫度下，有遮流板時的系統(tǒng)平衡壓力高于無遮流板時的平衡壓力，且隨著初始壓力增加，兩者間的壓差逐漸增大。首次采用浮動式測溫裝置對液面溫度進行了測量，無遮流板時，由于汽流沖入的攪動作用，液面徑向各點的溫度產生震蕩，溫度分布不均勻，PRZ的初始壓力和CMT水的初始溫度越高，液面震蕩的幅度越大，持續(xù)的時間越長。有遮流板時，液面的波動小，徑向溫度分布比較

7、均勻，溫度升高的幅度小于無遮流板的情況，遮流板直徑增大，表面溫度的波動減小。 CMT內水的軸向溫度分布具有熱分層特性，上部為熱水層，下部為冷水層，熱水層內溫度變化劇烈，吸收了蒸汽在液面凝結放出的大部分熱量。而冷水層的溫度在實驗過程中基本保持不變。無遮流板時，熱水層厚度在42-370mm之間，在相同的初始溫度下，PRZ初始壓力越高，熱水層厚度越大，在相同的初始壓力下，初始溫度越高，熱水層厚度越大，比較而言，壓力對熱水層厚度的影響程

8、度比溫度更大一些。有遮流板時，熱水層厚度在15-57mm之間，與無遮流板相比，熱水層厚度減少了59.5％-84.6％。在相同的初始溫度下，PRZ初始壓力越高，熱水層厚度越大，在相同的初始壓力下，初始溫度對熱水層厚度影響較小。本文采用能量守恒原理，提出了熱水層厚度的一種計算方法，并回歸了實驗關聯(lián)式。 在數(shù)值模擬計算中，采用VOF模型，可以模擬出CMT內汽液界面的變化趨勢及蒸汽空間的速度場分布，與實驗結果基本一致，但由于沒有考慮凝結