發(fā)布時(shí)間：2020-07-31 13:46

【摘要】：包層是聚變反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)氚增殖、中子屏蔽、熱量傳遞的重要部件,包層的熱工水力設(shè)計(jì)直接決定了聚變堆的傳熱效率和安全運(yùn)行。在正常工況下,將依靠包層傳熱系統(tǒng)的強(qiáng)迫循環(huán)流動(dòng),將聚變堆核能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給氣輪機(jī);在事故工況下,包層系統(tǒng)主泵不可用時(shí),將依靠包層傳熱系統(tǒng)的自然循環(huán)流動(dòng),帶走聚變堆衰變熱量,以緩解事故后果。故本文針對(duì)聚變工程背景下的包層方形流道強(qiáng)迫循環(huán)條件下和自然循環(huán)條件下的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題,進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,為包層的熱工水力設(shè)計(jì)和安全分析積累經(jīng)驗(yàn)和提供數(shù)據(jù)支持。本研究首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的理論設(shè)計(jì),確定相關(guān)部件型號(hào)和技術(shù)參數(shù),搭建熱工水力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并完成實(shí)驗(yàn)回路調(diào)試。研究發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)圓形管道,方管的過(guò)渡區(qū)Re數(shù)范圍為1800-3000。這是由于方形流道邊角區(qū)易產(chǎn)生漩渦和二次流,破壞層流層流,使得從層流向湍流轉(zhuǎn)化提前,并且過(guò)渡區(qū)更窄。在層流區(qū),層流時(shí)摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Shah-London關(guān)系式及理論計(jì)算值符合得較好;在湍流區(qū),方形流道的尺寸越小,阻力系數(shù)越大。在Re數(shù)較大的時(shí)候,方管的湍流阻力系數(shù)大于圓管,這是由于方管邊角漩渦引起的局部阻力較大引起的。對(duì)于傳熱規(guī)律,在層流區(qū)和湍流區(qū),方管單相傳熱系數(shù)均大于圓管。而在同條件下的自然循環(huán)和強(qiáng)迫循環(huán),由于自然循環(huán)浮升力影響,造成豎直加熱管道截面速度分布趨勢(shì)更平坦,形成較低的速度梯度,削弱了湍流輸運(yùn)效果,不利于換熱,使得自然循環(huán)傳熱強(qiáng)度降低。在方形流道的過(guò)冷沸騰實(shí)驗(yàn)研究中,ONB點(diǎn)位置可以通過(guò)壁面熱電偶溫度脫離線性變化的位置來(lái)判斷。熱流密度越高,越有利于過(guò)冷沸騰的產(chǎn)生;質(zhì)量流速越大,壓力越高,越不易產(chǎn)生過(guò)冷沸騰。在相同條件下,過(guò)冷沸騰的傳熱系數(shù)大于單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù),這是由于氣泡的擾動(dòng),增強(qiáng)傳熱效果的結(jié)果。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,可以得到ONB點(diǎn)發(fā)生時(shí)壁面熱流密度,壁面過(guò)熱度及ONB點(diǎn)產(chǎn)生位置的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。并根據(jù)過(guò)冷沸騰的溫度分布規(guī)律,建立數(shù)學(xué)模型,提出過(guò)冷沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。相比強(qiáng)迫循環(huán),自然循環(huán)傳熱效果較弱,造成在較低的壁面熱流密度條件下就發(fā)生ONB。在方形流道內(nèi)的飽和沸騰實(shí)驗(yàn)研究中,壁面熱流密度、壓力對(duì)傳熱系數(shù)影響較大,含氣率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較小,方形流道沸騰傳熱以泡核沸騰傳熱機(jī)理為主。熱流密度提高,飽和沸騰氣化核心數(shù)量會(huì)增加,氣泡脫離的頻率也會(huì)加快;系統(tǒng)壓力升高,氣泡的脫離直徑會(huì)減小;提高壓力和增加熱流密度可以提高沸騰傳熱系數(shù)。在自然循環(huán)飽和沸騰區(qū)域內(nèi),會(huì)發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象,由于自然循環(huán)傳熱強(qiáng)度低和脈動(dòng)引起的傳熱效果變差,會(huì)導(dǎo)致自然循環(huán)飽和傳熱系數(shù)也低于強(qiáng)迫循環(huán)飽和沸騰傳熱系數(shù)。在含氣率較高的環(huán)狀流區(qū)域,隨著液膜的蒸干,會(huì)發(fā)生第二類(lèi)沸騰危機(jī)(干涸)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)隨著入口流量的增大,進(jìn)口含氣率的減小,干涸點(diǎn)會(huì)發(fā)生延遲。需要同時(shí)考慮入口工況和當(dāng)?shù)毓r對(duì)干涸發(fā)生的影響,得到強(qiáng)迫循環(huán)條件下的干涸點(diǎn)判據(jù)。對(duì)于自然循環(huán)系統(tǒng),由于壓降,流量,含氣率之間存在強(qiáng)烈的耦合關(guān)系,會(huì)發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性。壓力的增大,流動(dòng)不穩(wěn)定性起始點(diǎn)(OFI點(diǎn))發(fā)生滯后,臨界流量增大,臨界功率增大,波動(dòng)的幅度減小,臨界含氣率增大;進(jìn)口過(guò)冷度越大,流動(dòng)不穩(wěn)定性起始點(diǎn)發(fā)生滯后,臨界流量增大,臨界功率增大,波動(dòng)的幅度減小,臨界含氣率增大;阻力越大,自然循環(huán)臨界流量減小,臨界功率減小,波動(dòng)的幅度減小,臨界含氣率增大。通過(guò)時(shí)間域上的傅里葉級(jí)數(shù)擬合和頻率域上的頻譜分析得到脈動(dòng)發(fā)生的周期,并發(fā)現(xiàn)壓力越大脈動(dòng)周期越小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析,得到最終的不穩(wěn)定邊界圖,最后根據(jù)相似原理和π定律,得到不穩(wěn)定性邊界預(yù)測(cè)模型。綜上所述,相比于強(qiáng)迫循環(huán),在單相區(qū)域、過(guò)冷沸騰區(qū)域和兩相沸騰區(qū)域,自然循環(huán)的傳熱強(qiáng)度更低,并且自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性也會(huì)提前發(fā)生。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TL33
【圖文】：

，、領(lǐng)域：聚變反應(yīng)堆仍然處于研究階段。與裂變堆相比較，聚變堆有很多優(yōu)點(diǎn)：（１）逡逑海水中富含氘元素，聚變?nèi)剂腺Y源豐富。（２）反應(yīng)不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性裂變產(chǎn)物。逡逑（３）高放廢料少。（４）固有安全特性高等。逡逑近些年來(lái)，聚變實(shí)驗(yàn)研宄和理論研宄都取得了很大的進(jìn)展，然而在進(jìn)行聚變逡逑堆商業(yè)運(yùn)行之前還需要大量的研[偣ぷ鰨郾潿尋閬喙丶際蹙褪瞧渲兇鈧匾膩義弦彩潛匭虢餼齙募復(fù)籩匾誦募際踔弧０閌薔郾浞從Χ閻械鬧匾考�，具永C義弦韻鹿δ埽海ǎ保┦迪蛛暗腦鮒�，快謨从与包层里的氚怎V臣磷饔貌鷏#，實(shí)現(xiàn)氚的逡逑自持。（２）實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，將堆芯熱量傳導(dǎo)給包層里面的冷卻劑，并最終傳導(dǎo)逡逑給氣輪機(jī)轉(zhuǎn)化為可直接利用的電能。（３）屏蔽作用，屏蔽快中子，包容放射性物逡逑質(zhì)，屏蔽熱量，防止熱量傳入磁體系統(tǒng)。逡逑在各種聚變包層的設(shè)計(jì)中，水冷包層具有中子慢化效果好、載熱能力強(qiáng)、資逡逑源豐富的特點(diǎn)被國(guó)際聚變界重視，并成為ＩＴＥＲ實(shí)驗(yàn)包層計(jì)劃主要候選概念之一。逡逑而對(duì)于聚變堆包層里面的流道，在國(guó)內(nèi)外的各類(lèi)包層的設(shè)計(jì)中，大部分都采用矩逡逑形流道的形狀，如中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（ＣＦＥＴＲ）水冷包層的流道設(shè)計(jì)（如圖逡逑１．１－１、圖邋１．１－２邋所示）ｔ１－２］。逡逑Ｂｒｅ？ｄｉｎ？Ｚｏｎ＊＊邋ＴｏｔｏＳＩＴＪ逡逑

通過(guò)前面文獻(xiàn)的描述，對(duì)于強(qiáng)迫循環(huán)條件下的矩形管道單相阻力特性和傳熱逡逑特性研究，主要關(guān)心阻力系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)、轉(zhuǎn)捩數(shù)等幾個(gè)方面的問(wèn)題，逡逑但是對(duì)于不同的高寬比的矩形，其轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)也不同，但基本上都是矩形管道的逡逑轉(zhuǎn)捩數(shù)更�。ǖ陀冢玻常埃埃�；有的研究認(rèn)為矩形流道的阻力系數(shù)和傳熱系數(shù)可逡逑以用經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算；有的研宄與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式偏差較大。對(duì)于自然循環(huán)條件逡逑下的矩形管道單相阻力特性和傳熱特性研究，其自然循環(huán)流量是加熱功率的函逡逑數(shù)；浮升力帶來(lái)的截面速度分布變化可能會(huì)對(duì)阻力系數(shù)和對(duì)流傳熱系數(shù)產(chǎn)生影逡逑響；有的研究認(rèn)為自然循環(huán)條件下矩形流道的阻力系數(shù)和傳熱系數(shù)可以用強(qiáng)迫循逡逑環(huán)經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算，有的研宄的結(jié)果則與強(qiáng)迫循環(huán)關(guān)系式計(jì)算結(jié)果偏差較逡逑大，難以得到統(tǒng)一的結(jié)論。逡逑１．２．２過(guò)冷沸騰特性逡逑（１）強(qiáng)迫循環(huán)逡逑過(guò)冷沸騰是處于單相流動(dòng)和沸騰狀態(tài)中間的過(guò)渡區(qū)域，此時(shí)主流溫度低于飽逡逑，。一

通過(guò)前面文獻(xiàn)的描述，對(duì)于強(qiáng)迫循環(huán)條件下的矩形管道單相阻力特性和傳熱逡逑特性研究，主要關(guān)心阻力系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)、轉(zhuǎn)捩數(shù)等幾個(gè)方面的問(wèn)題，逡逑但是對(duì)于不同的高寬比的矩形，其轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)也不同，但基本上都是矩形管道的逡逑轉(zhuǎn)捩數(shù)更�。ǖ陀冢玻常埃埃挥械难芯空J(rèn)為矩形流道的阻力系數(shù)和傳熱系數(shù)可逡逑以用經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算；有的研宄與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式偏差較大。對(duì)于自然循環(huán)條件逡逑下的矩形管道單相阻力特性和傳熱特性研究，其自然循環(huán)流量是加熱功率的函逡逑數(shù)；浮升力帶來(lái)的截面速度分布變化可能會(huì)對(duì)阻力系數(shù)和對(duì)流傳熱系數(shù)產(chǎn)生影逡逑響；有的研究認(rèn)為自然循環(huán)條件下矩形流道的阻力系數(shù)和傳熱系數(shù)可以用強(qiáng)迫循逡逑環(huán)經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算，有的研宄的結(jié)果則與強(qiáng)迫循環(huán)關(guān)系式計(jì)算結(jié)果偏差較逡逑大，難以得到統(tǒng)一的結(jié)論。逡逑１．２．２過(guò)冷沸騰特性逡逑（１）強(qiáng)迫循環(huán)逡逑過(guò)冷沸騰是處于單相流動(dòng)和沸騰狀態(tài)中間的過(guò)渡區(qū)域，此時(shí)主流溫度低于飽逡逑，。一

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