自然循環凈蒸汽產生點計算分析

孫景坤+方麗紅

摘 ?要 ?自然循環是在閉合回路內依靠熱段和冷段中的流體密度差所產生的驅動壓頭來實現的流動循環。通常將可以看到的有氣泡開始脫離加熱表面進入主流的點定義為氣泡脫離點或凈蒸汽產生點（FDB）。在壓水反應堆中，凈蒸汽產生起始點對堆芯冷卻劑通道內的中子慢化性能及流動不穩定性都有重要的影響。因此，在壓水反應堆的設計中，凈蒸汽產生起始點的計算直接影響反應堆的安全性。本文將從加熱功率、流體進口溫度、流量和壓力等幾方面對其特性進行分析比較。

關鍵詞 ?自然循環;凈蒸汽產生點;過冷沸騰

中圖分類號：TL334 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0058-01

1 ?計算模型

1）強迫循環過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度計

算式。

Saha模型被認為是目前為止用于預測強迫循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的精度較高的一個模型。Saha模型預測過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱流密度經驗公式如下：

當時

（1）

2）自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度計

算式。

①清華大學的楊瑞昌教授等提出了以下的預測自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的經驗公式[2]：

（2）

②孫奇等根據在低流速工況下，過冷沸騰凈蒸汽產生點主要受流體熱力學特性控制，對垂直壁面上的沸騰氣泡列力的平衡方程，最終得出了過冷沸騰凈蒸汽產生點蒸發冷凝模型[1]：

（3）

2 ?算例

選取=-0.1，進口溫度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。進口溫度、質量流速、壓力與過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度間的關系如圖1、圖2、圖3所示。

3 ?結果分析

1）加熱量對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

熱流密度增大時，過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度減小。這是由于當加熱量增大時，處于較低熱力學平衡干度的液相容易獲得足夠的能量，產生氣泡并以致發生躍離，即導致過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度減小。在其它條件相同的情況下，熱流密度的增加導致加熱段流體溫度的升高，一方面，增大了這種密度差，即驅動力變大，使得產生的氣泡更加容易脫離壁面，另一方面，使得局部過冷度降低，氣泡能夠進入主流核心。而強迫循環的驅動力主要依靠外力，這種密度差變化對它產生的影響不大，所以強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變化不大。

2）進口溫度對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

在加熱量相同的條件下，楊瑞昌經驗公式的計算結果反映了自然循環過冷沸騰在較低入口溫度下出現過冷沸騰凈蒸汽產生點，此時的熱力學平衡干度較低，并隨入口溫度的提高而減小。這是由于入口溫度的增加使得流體的密度差變大，驅動力變大，流體的擾動性增加，產生的氣泡更加容易脫離壁面的緣故。在強迫循環中，由于所選溫度變化范圍還不是很大，造成相關計算參數包括物性均很小，因此，在該溫度變化范圍內，強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變化很小。

3）質量流速對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

一般而言，流速增加，擾動增加，氣泡產生并易脫離壁面。但流量增大的同時，削弱了同等熱量對流體的貢獻，增大了熱容量，可能導致過冷沸騰起始點不易產生，從而引起過冷沸騰凈蒸汽產生點的延遲，即過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度增加。強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度基本不隨質量流速發生變化，由公式可以看出是因為質量流速較低的緣故。至于在同等流量下，自然循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度小于強迫循環是由于此時自然循環中有較大的密度差環境，擾動增加，氣泡更易產生并躍離。

4）壓力對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

壓力從兩個方面影響過冷沸騰凈蒸汽產生點。一方面，系統壓力升高，工質的沸點提高，抑制凈蒸汽的產生，同時，汽水密度差減小，擾動減小，氣泡不易脫離加熱面，這兩個因素均使過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變大。另一方面，壓力升高，液體的表面張力減小，汽化核心增多，容易提前發生過冷沸騰出現過冷沸騰凈蒸汽產生點。由圖3可以看出，過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度均隨系統壓力的增加而減小。

參考文獻

[1]孫奇，楊瑞昌.低流速凈蒸汽產生點模型預測過冷沸騰空泡率[J].熱能動力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]楊瑞昌，王彥武，唐虹，梁玥.自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的實驗研究[J].工程熱物理學報，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真煥.核反應堆熱工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint

摘 ?要 ?自然循環是在閉合回路內依靠熱段和冷段中的流體密度差所產生的驅動壓頭來實現的流動循環。通常將可以看到的有氣泡開始脫離加熱表面進入主流的點定義為氣泡脫離點或凈蒸汽產生點（FDB）。在壓水反應堆中，凈蒸汽產生起始點對堆芯冷卻劑通道內的中子慢化性能及流動不穩定性都有重要的影響。因此，在壓水反應堆的設計中，凈蒸汽產生起始點的計算直接影響反應堆的安全性。本文將從加熱功率、流體進口溫度、流量和壓力等幾方面對其特性進行分析比較。

關鍵詞 ?自然循環;凈蒸汽產生點;過冷沸騰

中圖分類號：TL334 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0058-01

1 ?計算模型

1）強迫循環過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度計

算式。

Saha模型被認為是目前為止用于預測強迫循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的精度較高的一個模型。Saha模型預測過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱流密度經驗公式如下：

當時

（1）

2）自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度計

算式。

①清華大學的楊瑞昌教授等提出了以下的預測自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的經驗公式[2]：

（2）

②孫奇等根據在低流速工況下，過冷沸騰凈蒸汽產生點主要受流體熱力學特性控制，對垂直壁面上的沸騰氣泡列力的平衡方程，最終得出了過冷沸騰凈蒸汽產生點蒸發冷凝模型[1]：

（3）

2 ?算例

選取=-0.1，進口溫度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。進口溫度、質量流速、壓力與過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度間的關系如圖1、圖2、圖3所示。

3 ?結果分析

1）加熱量對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

熱流密度增大時，過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度減小。這是由于當加熱量增大時，處于較低熱力學平衡干度的液相容易獲得足夠的能量，產生氣泡并以致發生躍離，即導致過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度減小。在其它條件相同的情況下，熱流密度的增加導致加熱段流體溫度的升高，一方面，增大了這種密度差，即驅動力變大，使得產生的氣泡更加容易脫離壁面，另一方面，使得局部過冷度降低，氣泡能夠進入主流核心。而強迫循環的驅動力主要依靠外力，這種密度差變化對它產生的影響不大，所以強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變化不大。

2）進口溫度對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

在加熱量相同的條件下，楊瑞昌經驗公式的計算結果反映了自然循環過冷沸騰在較低入口溫度下出現過冷沸騰凈蒸汽產生點，此時的熱力學平衡干度較低，并隨入口溫度的提高而減小。這是由于入口溫度的增加使得流體的密度差變大，驅動力變大，流體的擾動性增加，產生的氣泡更加容易脫離壁面的緣故。在強迫循環中，由于所選溫度變化范圍還不是很大，造成相關計算參數包括物性均很小，因此，在該溫度變化范圍內，強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變化很小。

3）質量流速對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

一般而言，流速增加，擾動增加，氣泡產生并易脫離壁面。但流量增大的同時，削弱了同等熱量對流體的貢獻，增大了熱容量，可能導致過冷沸騰起始點不易產生，從而引起過冷沸騰凈蒸汽產生點的延遲，即過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度增加。強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度基本不隨質量流速發生變化，由公式可以看出是因為質量流速較低的緣故。至于在同等流量下，自然循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度小于強迫循環是由于此時自然循環中有較大的密度差環境，擾動增加，氣泡更易產生并躍離。

4）壓力對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

壓力從兩個方面影響過冷沸騰凈蒸汽產生點。一方面，系統壓力升高，工質的沸點提高，抑制凈蒸汽的產生，同時，汽水密度差減小，擾動減小，氣泡不易脫離加熱面，這兩個因素均使過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變大。另一方面，壓力升高，液體的表面張力減小，汽化核心增多，容易提前發生過冷沸騰出現過冷沸騰凈蒸汽產生點。由圖3可以看出，過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度均隨系統壓力的增加而減小。

參考文獻

[1]孫奇，楊瑞昌.低流速凈蒸汽產生點模型預測過冷沸騰空泡率[J].熱能動力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]楊瑞昌，王彥武，唐虹，梁玥.自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的實驗研究[J].工程熱物理學報，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真煥.核反應堆熱工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint

摘 ?要 ?自然循環是在閉合回路內依靠熱段和冷段中的流體密度差所產生的驅動壓頭來實現的流動循環。通常將可以看到的有氣泡開始脫離加熱表面進入主流的點定義為氣泡脫離點或凈蒸汽產生點（FDB）。在壓水反應堆中，凈蒸汽產生起始點對堆芯冷卻劑通道內的中子慢化性能及流動不穩定性都有重要的影響。因此，在壓水反應堆的設計中，凈蒸汽產生起始點的計算直接影響反應堆的安全性。本文將從加熱功率、流體進口溫度、流量和壓力等幾方面對其特性進行分析比較。

關鍵詞 ?自然循環;凈蒸汽產生點;過冷沸騰

中圖分類號：TL334 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0058-01

1 ?計算模型

1）強迫循環過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度計

算式。

Saha模型被認為是目前為止用于預測強迫循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的精度較高的一個模型。Saha模型預測過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱流密度經驗公式如下：

當時

（1）

2）自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度計

算式。

①清華大學的楊瑞昌教授等提出了以下的預測自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的經驗公式[2]：

（2）

②孫奇等根據在低流速工況下，過冷沸騰凈蒸汽產生點主要受流體熱力學特性控制，對垂直壁面上的沸騰氣泡列力的平衡方程，最終得出了過冷沸騰凈蒸汽產生點蒸發冷凝模型[1]：

（3）

2 ?算例

選取=-0.1，進口溫度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。進口溫度、質量流速、壓力與過冷沸騰凈蒸汽產生點熱力學平衡干度間的關系如圖1、圖2、圖3所示。

3 ?結果分析

1）加熱量對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

熱流密度增大時，過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度減小。這是由于當加熱量增大時，處于較低熱力學平衡干度的液相容易獲得足夠的能量，產生氣泡并以致發生躍離，即導致過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度減小。在其它條件相同的情況下，熱流密度的增加導致加熱段流體溫度的升高，一方面，增大了這種密度差，即驅動力變大，使得產生的氣泡更加容易脫離壁面，另一方面，使得局部過冷度降低，氣泡能夠進入主流核心。而強迫循環的驅動力主要依靠外力，這種密度差變化對它產生的影響不大，所以強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變化不大。

2）進口溫度對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

在加熱量相同的條件下，楊瑞昌經驗公式的計算結果反映了自然循環過冷沸騰在較低入口溫度下出現過冷沸騰凈蒸汽產生點，此時的熱力學平衡干度較低，并隨入口溫度的提高而減小。這是由于入口溫度的增加使得流體的密度差變大，驅動力變大，流體的擾動性增加，產生的氣泡更加容易脫離壁面的緣故。在強迫循環中，由于所選溫度變化范圍還不是很大，造成相關計算參數包括物性均很小，因此，在該溫度變化范圍內，強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變化很小。

3）質量流速對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

一般而言，流速增加，擾動增加，氣泡產生并易脫離壁面。但流量增大的同時，削弱了同等熱量對流體的貢獻，增大了熱容量，可能導致過冷沸騰起始點不易產生，從而引起過冷沸騰凈蒸汽產生點的延遲，即過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度增加。強迫循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度基本不隨質量流速發生變化，由公式可以看出是因為質量流速較低的緣故。至于在同等流量下，自然循環的過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度小于強迫循環是由于此時自然循環中有較大的密度差環境，擾動增加，氣泡更易產生并躍離。

4）壓力對過冷沸騰凈蒸汽產生點的影響。

壓力從兩個方面影響過冷沸騰凈蒸汽產生點。一方面，系統壓力升高，工質的沸點提高，抑制凈蒸汽的產生，同時，汽水密度差減小，擾動減小，氣泡不易脫離加熱面，這兩個因素均使過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度變大。另一方面，壓力升高，液體的表面張力減小，汽化核心增多，容易提前發生過冷沸騰出現過冷沸騰凈蒸汽產生點。由圖3可以看出，過冷沸騰凈蒸汽產生點的熱力學平衡干度均隨系統壓力的增加而減小。

參考文獻

[1]孫奇，楊瑞昌.低流速凈蒸汽產生點模型預測過冷沸騰空泡率[J].熱能動力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]楊瑞昌，王彥武，唐虹，梁玥.自然循環過冷沸騰凈蒸汽產生點的實驗研究[J].工程熱物理學報，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真煥.核反應堆熱工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint