【摘要】：當前世界面臨著嚴峻的能源危機和氣候形式，能源已經(jīng)成為影響人類發(fā)展的重要因素之一。特別是我國，由于化石燃料的使用，近年來出現(xiàn)的大范圍持續(xù)的霧霾天氣，使得調(diào)整能源結(jié)構(gòu)迫在眉睫。由于核電不造成對大氣的污染排放，大力發(fā)展核電，成為我國能源建設(shè)的一項重要政策。第四代核電技術(shù)是未來核電技術(shù)的發(fā)展方向，超臨界水冷反應堆（SCWR）是六種第四代新型反應堆之一，其熱效率高、系統(tǒng)簡化、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟性好�；谖覈F(xiàn)有的核反應堆和超臨界火電的研究基礎(chǔ)，超臨界水冷堆是我國重點研發(fā)的新一代核電技術(shù)之一。在超臨界水冷堆中，堆芯棒束通道的流動傳熱與熱工水力特性對整個系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行起著至關(guān)重要的作用，對于堆芯通道內(nèi)流動傳熱的規(guī)律性認識是發(fā)展SCWR技術(shù)必須深入研究和亟待解決的問題。 在壓力為23~28MPa，熱流密度為200~1000kW/m2，質(zhì)量流速為700~1300kg/(m2·s)的范圍內(nèi)，本文對棒徑為8mm，柵距比為1.2的SCWR類四邊形子通道內(nèi)超臨界水的流動傳熱特性進行了試驗和數(shù)值模擬研究。分析了壓力、熱流密度和質(zhì)量流速對SCWR類四邊形子通道內(nèi)的壁溫分布特性、傳熱特性、摩擦壓降特性和二次流特性的影響，并將試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)典關(guān)聯(lián)式進行了對比分析研究。 本文對SCWR類四邊形子通道內(nèi)超臨界水的傳熱特性進行了試驗和數(shù)值模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)：在擬臨界區(qū)，換熱系數(shù)出現(xiàn)峰值，傳熱強化作用明顯。隨著壓力或熱流密度的增加，壁面溫度不斷增加，換熱系數(shù)的峰值不斷減小；隨著質(zhì)量流速的增加，壁面溫度在不斷減小，換熱系數(shù)的峰值不斷增加。在大比熱區(qū)，壓力、熱流密度和質(zhì)量流速對換熱系數(shù)的影響均較大；在遠離大比熱區(qū)的低焓值區(qū)和高焓值區(qū)，壓力、熱流密度和質(zhì)量流速對換熱系數(shù)的影響相對較小。在擬臨界區(qū)，超臨界水的比熱和Pr數(shù)出現(xiàn)峰值，密度、動力粘度和導熱系數(shù)急劇減小，導致壁面溫度隨焓值升高很小，換熱系數(shù)出現(xiàn)峰值。在擬臨界點附近，由于密度的急劇減小，會產(chǎn)生類似汽泡的小密度流體層，該小密度流體層會阻礙管壁與流體之間的換熱，熱流密度與質(zhì)量流速的比值（q/G）越小，強化換熱的作用越明顯。 本文對SCWR類四邊形子通道內(nèi)超臨界水的摩擦壓降特性進行了試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量流速對摩擦壓降的影響較大，壓力和熱流密度對摩擦壓降影響相對較小。質(zhì)量流速的增加，會使摩擦壓降有較大增加。超臨界水在低焓值區(qū)呈液態(tài)，在高焓值區(qū)呈汽態(tài)，質(zhì)量流速對摩擦壓降的影響在低焓值區(qū)明顯小于在高焓值區(qū)。在低焓值區(qū)，壓力和熱流密度的增加對摩擦壓降的影響不明顯；在高焓值區(qū)，隨著壓力和熱流密度的增大，摩擦壓降逐漸減小。 本文對SCWR類四邊形子通道內(nèi)超臨界水的二次流特性進行了數(shù)值模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)：壓力對二次流的結(jié)構(gòu)和強度影響均不大，熱流密度和質(zhì)量流速對二次流的結(jié)構(gòu)和強度影響均較大。當熱流密度與質(zhì)量流速的比值（q/G）較小時，類四邊形子通道內(nèi)形成了8個二次流漩渦。每個1/8區(qū)域內(nèi)都有1個漩渦，每兩個相鄰的漩渦作對稱流動；當熱流密度與質(zhì)量流速的比值（q/G）較大時，類四邊形子通道內(nèi)形成了16個漩渦。每個1/8區(qū)域內(nèi)都有2個漩渦，且它們的旋轉(zhuǎn)方向相反。熱流密度的增加和質(zhì)量流速的減小，均會使最大二次流速與主流速度的比值減少。不同壓力、熱流密度和質(zhì)量流速條件下，二次流速均遠小于主流速度，最大二次流速與主流速度的比值均0.4%。 本文將SCWR類四邊形子通道內(nèi)超臨界水流動傳熱特性的試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比研究，并將試驗和數(shù)值模擬的換熱系數(shù)與經(jīng)典關(guān)聯(lián)式進行了對比分析研究，研究發(fā)現(xiàn)：試驗與數(shù)值模擬的內(nèi)壁溫度隨焓值的變化趨勢一致且數(shù)值較為接近，試驗與數(shù)值模擬的換熱系數(shù)隨焓值的變化趨勢一致但數(shù)值有一定偏差。溫度的最大偏差率為6.2%，主要是由求解類四邊形子通道一維穩(wěn)態(tài)導熱問題引起的；試驗和數(shù)值模擬結(jié)果的換熱系數(shù)偏差率較大，主要是由試驗計算的內(nèi)壁溫度偏大造成的。數(shù)值模擬計算的類四邊形子通道換熱系數(shù)總體上能夠較好地符合經(jīng)典關(guān)聯(lián)式，與Petukhov K.(1983)關(guān)聯(lián)式預測值符合最好；試驗的換熱系數(shù)比三個關(guān)聯(lián)式的預測值都小。
【圖文】：

2 試驗系統(tǒng)和試驗方法統(tǒng)與試驗段結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)類四邊形子通道內(nèi)超臨界水的流動傳熱特性試驗，是在西安交家重點實驗室高溫高壓試驗臺上進行的。該系統(tǒng)可以在很廣的或兩相流體的流動和傳熱特性試驗，試驗系統(tǒng)如圖 2-1 所示。箱 1 經(jīng)過閥門 2 和濾網(wǎng) 3 后，由高壓柱塞泵 4 升壓，然后分是為了調(diào)節(jié)流量和壓力而設(shè)計的旁路系統(tǒng)；另一路是試驗主系統(tǒng)中，試驗工質(zhì)經(jīng)調(diào)節(jié)閥 2 和孔板流量計 5 后，進入套管高吸收從試驗段出來的高溫工質(zhì)的熱量后，進入預熱段 7，將口溫度后，進入到試驗段 8 加熱到試驗工況，由試驗段出來的冷卻，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計 10 測量流量后回到水箱 1。

用銅辮和銅板直接接入電加熱管段。預熱段共 6 段，使用 6 臺大電流變壓器，分別由 臺 180 kW 和 4 臺 100 kW 大電流變壓器加熱，最大加熱功率為 760 kW；試驗段由 1 臺大電流變壓器加熱，最大加熱功率 180 kW；再加上再生式換熱器回收的約 2/3 的熱量系統(tǒng)最大加熱量可達 1000 kW 以上。試驗段最大電流不超過 4000 A，為保證安全，單根銅辮通過電流不大于 1000 A。高效再生套管式換熱器 6、預熱段 7、試驗段 8 及其連接管道都采用硅酸鋁陶瓷纖維（保溫棉）絕熱保溫，可以防止過多的熱量在高溫情況下散失。預熱段用陶瓷絕緣管與支撐架隔離，試驗段用絕緣磚和絕緣盤與支撐架絕緣。2.1.2 試驗段結(jié)構(gòu)試驗段材料為 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼。試驗段的加工步驟為：首先將長度為 680 mm直徑為 20 mm 的實心鋼棒切割為 3 個小段，每個小段均采用線切割技術(shù)加工成如圖 2-所示的截面形狀；之后將每小段進行焊接連接，為了保證通道內(nèi)的流動特性，，焊接處使用同試驗段材料相同的不銹鋼箍箍緊后焊接，試驗段連接處如圖 2-3 所示。棒束直徑D=8 mm，柵距比 P/D=1.2，通道厚度為 2.5 mm。試驗段的水力直徑為 6.6677 mm。
【學位授予單位】：華北水利水電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TL33

【參考文獻】

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本文編號：2608583