反应堆热工水力学14

'7反应堆稳态热工设计7.1热工设计准则7.2热管因子7.3单通道设计方法7.4自然循环计算 单通道选取的一个具有代表性的通道它与相邻通道之间没有动量、质量和能量的交换被看成是孤立的、封闭的分析方法首先对冷却剂的一维质量、动量和能量方程进行求解，得到冷却剂流速、温度和压降再对燃料棒表面和冷却剂之间传热计算，得到包壳外表面温度然后对燃料元件进行传热计算，得到燃料元件中心最高温度14:31:07单通道2 一维流动方程质量∂∂ρ+=G0mm∂∂tz动量GG2pfGG∂∂∂mmmm+=−−−ρgm∂∂ρtz∂zD2ρmem能量∂∂qP∂∂ppGfGGhmmm(ρmmh)+(Ghmm)=+++∂∂tzAt∂∂ρρzD2zmem14:31:07单通道方法3 动量方程求解边界条件三种边界条件：出口和入口的压力边界条件入口流量和出口压力边界条件入口压力和出口流量边界条件是否可能有多个流量能够满足守恒方程组？14:31:07单通道方法4 加热通道内稳定单相流情况动量方程∂GG∂∂2pfGGmmmm+=−−−ρgm∂∂ρtz∂zD2ρmemG2pGGddmmm=−−fg−ρmdzρρd2zDmemGG22zzfGGmmoutmmoutp−=p−+ddz+ρgzinout∫∫mρρzzin2Dρinmoutminem加速压降14:31:07单通道方法5 加热通道内稳定单相流情况动量方程∂GG∂∂2pfGGmmmm+=−−−ρgm∂∂ρtz∂zD2ρmemG2pGGddmmm=−−fg−ρmdzρρd2zDmemGG22zzfGGmmoutmmoutp−=p−+ddz+ρgzinout∫∫mρρzzin2Dρinmoutminem摩擦压降14:31:07稳定单相流6 加热通道内稳定单相流情况动量方程∂GG∂∂2pfGGmmmm+=−−−ρgm∂∂ρtz∂zD2ρmemG2pGGddmmm=−−fg−ρmdzρρd2zDmemGG22zzfGGmmoutmmoutp−=p−+ddz+ρgzinout∫∫mρρzzin2Dρinmoutminem提升压降14:31:07稳定单相流7 加热通道内稳定单相流情况动量方程∂GG∂∂2pfGGmmmm+=−−−ρgm∂∂ρtz∂zD2ρmemG2pGGddmmm=−−fg−ρmdzρρd2zDmemGG22zzfGGmmoutmmoutp−=p−+ddz+ρgzinout∫∫mρρzzin2DρinmoutminemfGGmmppin−out=+(zzpout−in)+∆form+ρlg(zzout−in)2Dρel14:31:07稳定单相流8 例7-1PWR堆芯压降计算假设可忽略定位格架与出入口压力损失假设流体均匀地通过堆芯并且没有沸腾参数热功率为3411MW，压力15.5MPa入口温度286℃，出口温度324℃轴向平均线功率17.8kW/m燃料棒数50952根堆芯总流量17.4Mg/s燃料包壳外直径9.5mm，包壳厚度0.57mm，气隙0.08mm，栅距12.6mm，棒长4.0m，活性区高度3.66m计算试求从入口到出口压降14:31:07稳定单相流9 例7-1PWR堆芯压降计算定性温度286324+o=305C214:31:07稳定单相流10 例7-1PWR堆芯压降计算定性温度水物性13ρ==7042kg/m.m−31420110.×c.=6143kJ/kgK⋅p−6µ=91710Pas.×⋅14:31:07稳定单相流11 例7-1PWR堆芯压降计算定性温度p水物性d质量流密度222ππ2Apd=−=12.6−×9.5=87.88mmz443qm17.410×2G===3880.4kg/msm−6nA5059287.8810××z14:31:07稳定单相流12 例7-1PWR堆芯压降计算定性温度p水物性d质量流密度雷诺数4A487.88×fD===11.8mmePπ9.5×wRe=GDµme−6=388040011891710..××(.)5=49810.×14:31:07稳定单相流13 例7-1PWR堆芯压降计算定性温度p水物性d质量流密度雷诺数摩擦系数−0.2f=0.184Re=0.0133414:31:07稳定单相流14 例7-1PWR堆芯压降计算定性温度p水物性d质量流密度雷诺数摩擦系数压降fGGmmppin−=out+(zzgout−+in)ρl(zzout−in)2Dρel20.013343880.4×=×+4704.29.84××20.0118704.2××=+=484282760576033Pa14:31:07稳定单相流15 能量方程求解∂∂qP∂∂ppGfGGhmmm(ρmmh)+(Ghmm)=+++∂∂tzAt∂∂ρρzD2zmemdhmGA=qPmhzdzdhmqml=qz()dz14:31:07能量方程求解16 能量方程求解πz假设：qzqll()=,0cosLe1）释热率余弦分布Le22）物性为常数L2积分：dhmqml=qz()ϕ(z)dzz=0ql(z)hzm()zπzqdhq=-L2cosdzml∫∫m,0hLin−/2L-Le2e14:31:07能量方程求解17 冷却剂温度hzm()zπzqdhq=cosdzml∫∫m,0hLin−/2Le单相流：Tzm()zπzqcdTq=cosdzmp∫∫l,0TLin−/2Le物性是常数：ql,0LeππzLTzT()−=sin+sinminqcπ2LLmpee出口处：LLql,02Leπ2qLl,0TTout≡=mTin+sinTTout≈+in2π2qcmpLeπqcmp14:31:07能量方程求解18 包壳外表面温度qzl()传热方程：hTzTzco()−==m()qz()Phπz热流qzqll()=,0cosql,0πzLeTzTzco()=m()+cos2πRhLcoe代入Tm(z)：Lππ1πzLzeTzTqco()=in+l,0sin++sincosπqcmpLe2Le2πRhcoLe问题：如何求包壳外表面最高温度？14:31:07能量方程求解19 包壳外表面的最高温度dTco=0dz极值条件2dTco<02dzLππ1πzLzeTzTqco()=in+l,0sin++sincosπqcmpLe2Le2πRhcoLeπz2πRLhccoetan=LπqcempL2πRLhd2Tz=earctancoeco<0?cdz2ππqcmp14:31:07最高温度20 燃料芯块中心温度Tq0间隙Tu回顾第四章TciTco燃料Tm包壳T0TuTciTcoTmln(Rco/Rci)1/4πku1/2πRuhg1/2πRcoh2πkcLππzLeTzTqcl()=in++l,0sinsinπ2qcLLmpee11πR11zco+q+ln++cosl,02πRh2πkR2πRh4πkLcocciggfe14:31:07最高温度21 轴向温度分布zLe2ToutL2Tci,maxTco,maxql(z)Tcl,max0TTciTcoTcl-L2-Le2Tin14:31:07最高温度22 燃料芯块中心温度−1LR1111ecoz=arctanπLqc+ln++fempπ2πRhco2πkcRci2πRhgg4πkfLππzLeTzTqcl()=in++l,0sinsinπ2qcLLmpee11πR11zco+q+ln++cosl,02πRh2πkR2πRh4πkLcocciggfe14:31:07最高温度23 例7-2PWR堆芯温度计算假设忽略外推高度对流传热系数和热导率保持常数：燃料热导率2.163W/（m℃）,包壳热导率13.85W/（m℃）22对流传热系数34.0kW/（m℃）,气隙等效传热系数hg=5.7kW/（m℃）参数热功率为3411MW，压力15.5MPa入口温度286℃，出口温度324℃轴向平均线功率17.8kW/m燃料棒数50952根堆芯总流量17.4Mg/s燃料包壳外直径9.5mm，包壳厚度0.57mm，气隙0.08mm，栅距12.6mm，棒长4.0m，活性区高度3.66m计算试求包壳的最高温度和燃料中心最高温度14:31:07温度计算24 例7-2PWR堆芯温度计算冷却剂温度ql,0LeππzLTzT()=++sinsinminqcπ2LLmpee17.8ππ3.66zz=286+sin+=1295.99.9sin+0.3416.143×π3.663.6614:31:07温度计算25 例7-2PWR堆芯温度计算冷却剂温度包壳最高温度LπDLh3.6634.09.510×××−33.66z=arctan=arctan=0.6mc×ππqcmpπ6.1430.341Lππ1πzLzeTzTqco()=in+l,0sin++sincosπqcmpLe2Le2πRhcoLeπ0.6×π0.6×3.66sin+1cos3.663.66=28617.8++−3π0.3416.143××2π9.510×××34=286+17.8×(0.83+0.858)=316.014:31:07温度计算26 例7-2PWR堆芯温度计算冷却剂温度包壳最高温度燃料中心最高温度3.66×2π3.66π0.3416.143××z=arctan=0.014mfπ4.75ln14.1811+++4.7534×0.013854.145.7××20.00216314:31:07温度计算27 例7-2PWR堆芯温度计算冷却剂温度包壳最高温度燃料中心最高温度LππzLTzTq()=+esin++sinclinl,0π2qcLLmpee11πR11zq+lnco++cosl,02πRh2πkR2πRh4πkLcocciggfeπ0.014××π0.014=+28617.80.556sin++145.99cos=1114.7Co3.663.6614:31:07温度计算28 单通道分析方法小结冷却剂流速冷却剂温度堆芯压降包壳外表面温度燃料元件中心最高温度14:31:07单通道29 两相压降特性和流动不稳定性汽液ApoutCql(z)gL∆ppinDB两相流区单相液区qmhin0qm1qm2qm3qm14:31:07流动不稳定性30 微扰分析法dqm流量方程：I=∆pp−∆exfricdt扰动方程：∂∆qm∂∆(ppex)∂∆(fric)I=∆−qq∆mm∂∂tq∂qmmωt引入微扰：∆=qεem∂∆(ppex)∂∆(fric)−得到：∂∂qqmmω=I14:31:07流动不稳定性31 稳定准则ωt∆=qεem∂∆(ppex)∂∆(fric)−∂∂qqmmω=I∂∆(ppex)∂∆(f)≤∂∂qqmm14:31:07流动不稳定性32 两相压降特性和流动不稳定性汽液ApoutCql(z)gL∆ppinDB两相流区单相液区qmhin0qm1qm2qm3qm14:31:07流动不稳定性33 自然循环分析方法：驱动压头=阻力压头14:31:07自然循环34 图表法计算自然循环流量∆p∆pd∆pr∆p0qm1qm2qm0qm3qm4qm14:31:07自然循环35'