簡單矩形回路內穩態自然循環流量的預測

呂發 何祖娟 徐海波 黃彥平 王艷林

摘要：本文以簡單矩形回路為對象，給出了基于穩態條件下自然循環系統內的驅動力與阻力平衡的原則預測回路內穩態自然循環流量的方法，分別對亞臨界與超臨界水穩態自然循環流量進行了計算，并將計算結果與實驗值進行了對比，結果表明：預測結果與實驗值符合較好，本文給出的方法能較好的預測簡單矩形回路內的亞臨界與超臨界水穩態自然循環流量。

關鍵詞：超臨界水；穩態自然循環；流量

1 引 言

自然循環是指在閉合系統中不依賴外界動力源，僅由冷熱流體間的密度差形成的浮升力驅動流體循環流動的一種能量傳輸方式[1]。自然循環作為一種非能動安全傳熱手段在反應堆系統中得到越來越越廣泛的應用，自然循環在新一代反應堆概念中受到特別的關注。將自然循環作為一種正常運行工況是艦船核動力裝置提高安靜性與隱蔽性的重要手段之一。以自然循環方式帶走熱源熱量的能力稱為系統的自然循環能力。自然循環能力的有無和大小是衡量反應堆系統非能動安全性及艦船核動力裝置先進性的重要指標之一。在超臨界條件下，在擬臨界區內流體物性隨溫度變化而劇烈變化。在擬臨界區，巨大的密度差可為閉合系統的自然循環運行工況提供強驅動力，而比熱容存在的巨大峰則可在流量一定的條件下為冷卻劑提供巨大的載熱能力，因而，擬臨界區流體密度的巨變及比熱容的巨大峰值為以超臨界流體為工質的閉合系統提供了強自然循環能力的巨大潛力。系統穩態自然循環流量的大小是表征系統自然循環能力的重要參數之一，對系統穩態自然循環流量的準確預測有助于評估系統的自然循環能力。

2 數學模型

對于穩態自然循環，由于回路系統閉合，流體從回路內某一點出發沿流動方向回到該點產生的總壓降為零，自然循環的驅動力與總阻力平衡，也就是由冷熱流體間的密度差導致的重位差與回路內流體總阻力平衡。若驅動力增大，循環流量增大，回路內流速增大，總阻力增大，反過來限制流量的增加直至驅動力與阻力平衡；若驅動力減小，則發生相反的過程實現驅動力與阻力平衡，使自然循環恢復穩態。基于以上思想，在模擬計算中通過循環迭代實現回路系統內的壓降平衡可得到一定工況下的穩態自然循環流量。由于溫度、壓力、系統阻力等因素通過影響流體物性、系統阻力特性等影響穩態自然循環流量，可以在循環迭代過程中引入變量改變流體物性及阻力特性實現穩態自然循環參數影響規律的模擬研究。

5 結 論

以簡單矩形回路為對象，給出了基于穩態條件下自然循環系統內的驅動力與阻力平衡的原則預測回路內超臨界水穩態自然循環流量的一種方法，并將預測結果與實驗值進行了對比，可以得出以下結論：

基于穩態條件下自然循環系統內的驅動力與阻力平衡的原則，通過對自然循環系統進行合理簡化，并采用適當的可用于超臨界條件下的壓降關系式，進行系統自然循環流量與壓降之間的迭代計算，可以對自然循環系統的穩態自然循環流量進行預測，所選壓降關系式在亞臨界條件下的計算結果與實驗結果符合較好，在超臨界條件下的穩態自然循環流量計算結果較實驗值偏小。這一系統穩態自然循環特性預測方法的預測結果的準確性取決于所選壓降關系式在相應條件下的適應性，因而這一方法在一定程度上也可校驗壓降關系式在超臨界條件下的適應性。

參考文獻

[1] Vijay Chatoorgoon. Stability of supercritical fluid flow in a single-channel natural-convection loop[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44：1963-1972.

[2] Manish Sharma，D.S. Pilkhwal，P.K. Vijayan，D. Saha，R.K. Sinha. Steady state and linear stability analysis of a supercritical water natural circulation loop[J]. Nuclear Engineering and Design，2010，240：588–597.

[3] N.M. Rao，Ch. Chandra Sekhar，B. Maiti，P.K. Das. Steady-state performance of a two-phase natural circulation loop[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2006，33：1042–1052.

[4] Igor L. Pioro，Romney B. Duffey，Tyler J. Dumouchel. Hydraulic Resistance of Fluids Flowing in Channels at Supercritical Pressures（Survey）[J]. 2004，231：187-197.

作者簡介：呂發（1986-），男，工程師。2018年畢業于中國核動力研究設計院核能科學與工程專業，獲博士學位。現主要從事反應堆熱工水力研究。

何祖娟（1983-），女，助理研究員。2011年畢業于哈爾濱工程大學材料物理與化學專業，獲學士學位。現主要從事反應堆燃料及材料研究。

徐海波（1987-），男，工程師。2012年畢業于中國核動力研究設計院核能科學與工程專業，獲學士學位。現主要從事反應堆總體技術研究。