呂發(fā) 何祖娟 徐海波 黃彥平 王艷林

摘要：本文以簡(jiǎn)單矩形回路為對(duì)象，給出了基于穩(wěn)態(tài)條件下自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡的原則預(yù)測(cè)回路內(nèi)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的方法，分別對(duì)亞臨界與超臨界水穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合較好，本文給出的方法能較好的預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單矩形回路內(nèi)的亞臨界與超臨界水穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量。

關(guān)鍵詞：超臨界水；穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)；流量

1 引 言

自然循環(huán)是指在閉合系統(tǒng)中不依賴外界動(dòng)力源，僅由冷熱流體間的密度差形成的浮升力驅(qū)動(dòng)流體循環(huán)流動(dòng)的一種能量傳輸方式[1]。自然循環(huán)作為一種非能動(dòng)安全傳熱手段在反應(yīng)堆系統(tǒng)中得到越來(lái)越越廣泛的應(yīng)用，自然循環(huán)在新一代反應(yīng)堆概念中受到特別的關(guān)注。將自然循環(huán)作為一種正常運(yùn)行工況是艦船核動(dòng)力裝置提高安靜性與隱蔽性的重要手段之一。以自然循環(huán)方式帶走熱源熱量的能力稱為系統(tǒng)的自然循環(huán)能力。自然循環(huán)能力的有無(wú)和大小是衡量反應(yīng)堆系統(tǒng)非能動(dòng)安全性及艦船核動(dòng)力裝置先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。在超臨界條件下，在擬臨界區(qū)內(nèi)流體物性隨溫度變化而劇烈變化。在擬臨界區(qū)，巨大的密度差可為閉合系統(tǒng)的自然循環(huán)運(yùn)行工況提供強(qiáng)驅(qū)動(dòng)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(qū)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(zhì)的閉合系統(tǒng)提供了強(qiáng)自然循環(huán)能力的巨大潛力。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的大小是表征系統(tǒng)自然循環(huán)能力的重要參數(shù)之一，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)有助于評(píng)估系統(tǒng)的自然循環(huán)能力。

2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)，由于回路系統(tǒng)閉合，流體從回路內(nèi)某一點(diǎn)出發(fā)沿流動(dòng)方向回到該點(diǎn)產(chǎn)生的總壓降為零，自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力與總阻力平衡，也就是由冷熱流體間的密度差導(dǎo)致的重位差與回路內(nèi)流體總阻力平衡。若驅(qū)動(dòng)力增大，循環(huán)流量增大，回路內(nèi)流速增大，總阻力增大，反過來(lái)限制流量的增加直至驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡；若驅(qū)動(dòng)力減小，則發(fā)生相反的過程實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡，使自然循環(huán)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)?；谝陨纤枷?，在模擬計(jì)算中通過循環(huán)迭代實(shí)現(xiàn)回路系統(tǒng)內(nèi)的壓降平衡可得到一定工況下的穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量。由于溫度、壓力、系統(tǒng)阻力等因素通過影響流體物性、系統(tǒng)阻力特性等影響穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量，可以在循環(huán)迭代過程中引入變量改變流體物性及阻力特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)參數(shù)影響規(guī)律的模擬研究。

5 結(jié) 論

以簡(jiǎn)單矩形回路為對(duì)象，給出了基于穩(wěn)態(tài)條件下自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡的原則預(yù)測(cè)回路內(nèi)超臨界水穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量的一種方法，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

基于穩(wěn)態(tài)條件下自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡的原則，通過對(duì)自然循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，并采用適當(dāng)?shù)目捎糜诔R界條件下的壓降關(guān)系式，進(jìn)行系統(tǒng)自然循環(huán)流量與壓降之間的迭代計(jì)算，可以對(duì)自然循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，所選壓降關(guān)系式在亞臨界條件下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，在超臨界條件下的穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)流量計(jì)算結(jié)果較實(shí)驗(yàn)值偏小。這一系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)自然循環(huán)特性預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于所選壓降關(guān)系式在相應(yīng)條件下的適應(yīng)性，因而這一方法在一定程度上也可校驗(yàn)壓降關(guān)系式在超臨界條件下的適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)

[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(jiǎn)介：呂發(fā)（1986-），男，工程師。2018年畢業(yè)于中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核能科學(xué)與工程專業(yè)，獲博士學(xué)位?，F(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工水力研究。

何祖娟（1983-），女，助理研究員。2011年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)主要從事反應(yīng)堆燃料及材料研究。

徐海波（1987-），男，工程師。2012年畢業(yè)于中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核能科學(xué)與工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)主要從事反應(yīng)堆總體技術(shù)研究。