超临界压力下自然循环水回路的稳定性研究和无量纲分析

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超临界水堆(SCWR)是GIF推荐的第四代核能系统中唯一的水冷堆,其与现在的第二、三代水冷反应堆有良好的技术延续性。然而,超临界压力下,流体在拟临界点附近的物性剧烈变化,导致系统中出现流动不稳定,威胁系统的安全运行。又因为部分超临界水堆的设计采用非能动的安全系统,所以研究超临界压力下自然循环的流动稳定性对超临界水堆设计有重要意义。本文针对超临界自然循环的流动不稳定性,选取了典型的超临界自然循环实验回路,简化并建立模型,分别使用基于延拓的非线性数值算法和频域法计算静态和动态稳定性,应用无量纲相似准则数进行参数效应分析,并在无量纲参数空间内分别寻找静态和动态不稳定区。本文主要内容如下:(1)选取典型的自然循环回路,简化并建立模型。开发了基于延拓的非线性数值算法计算静态稳定性;开发了频域法程序计算动态稳定性。推导了适用于超临界压力下的无量纲控制方程组,根据物理意义选取了稳定性分析的无量纲相似准则数。(2)计算了典型自然循环回路的静态稳定性,通过功率-流量曲线和动力-驱动力曲线,发现最大循环流量的发生条件是加热段出口处流体恰好处于拟临界点附近。对回路的参数效应进行了计算和无量纲分析,发现对于特定回路,加热段入口温度对静态稳定性的影响最大,只有当入口温度小于某一边界温度时才可能出现静态不稳定。回路的管径、高度会改变回路的传热和流动特性,但是对静态稳定性影响较小;加热段入口的局部阻力对于回路的传热影响较小,但是可以提高回路的静态稳定性;加热段出口的局部阻力对于静态稳定性影响较小,但是很明显得降低了回路的流动和传热能力。在无量纲参数空间内,静态稳定点和不稳定点有明显的分区分布现象,不稳定点主要集中在Ntpc较大(约大于0.075),Nspc也较大(约大于0.078)的区域。(3)计算了典型的自然循环回路的动态稳定性,发现对于给定的回路,存在一个边界加热功率,当加热功率大于该功率时出现动态不稳定。针对不同入口温度的不稳定边界,在无纲参数平面内做出了不稳定边界。分析了主要参数回路对动态稳定性的影响,发现加热段长度和管径对于回路的动态稳定性影响较小;回路的高度对于回路的动态稳定性有一定影响:回路的高度在加热段长度约三倍以内时,高度越高,稳定区越小;高度在加热段长度约三倍以上时,稳定区随高度增加而增加。无量纲空间内,动态不稳定区主要集中在Ntpc较大(约大于0.004)的区域,在Nspc和Ndf方向上无明显分野。
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