子通道分析方法調(diào)研報(bào)告(編輯修改稿)
2024-09-01 04:59 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 件下，有關(guān)亮相流體的交混現(xiàn)象至今尚未完全弄清楚。大多數(shù)子通道程序所用的交混模型都是根據(jù)均勻理論。兩股流體在子通道間的交混目前用兩種模型加以描述：等質(zhì)量模型和等體積模型。等質(zhì)量模型認(rèn)為兩股發(fā)生交混的流體是等質(zhì)量的，因而在交混過程中不發(fā)生凈質(zhì)量交換，只引起能量和動(dòng)量的交換。在COBRA,HAMB和THINC中采用此模型。等體積模型認(rèn)為兩股發(fā)生交混的流體是等體積的。在相鄰子通道內(nèi)流體密度不同時(shí)，交混過程不引起能量和動(dòng)量的交換，而要引起凈質(zhì)量的交換。在MIXER程序中采用這種模型。 子通道分析方法的基本缺點(diǎn)和限制子通道分析方法能夠有效地進(jìn)行反應(yīng)堆熱工水力分析，但是也存在一些缺點(diǎn)和限制。主要方面列舉如下：（1） 忽略了子通道內(nèi)的速度和溫度的精細(xì)分布（即采用集總參數(shù)法）。（2） 由于子通道布置的非正交性，致使橫向動(dòng)量平衡方程不能像軸向動(dòng)量平衡方程那樣嚴(yán)格處理。（3） 為使計(jì)算容易進(jìn)行，軸向和橫向動(dòng)量方程的控制體之間的各種位置所需之計(jì)算資料要做近似處理。[1]在運(yùn)用子通道分析時(shí)，做一些簡(jiǎn)化以利于計(jì)算，但不應(yīng)為此增加實(shí)驗(yàn)工作的復(fù)雜性。以計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，有一些方面可以進(jìn)行探討：1. 初始條件和邊界條件。當(dāng)將反應(yīng)堆冷卻劑流道芬兩步分析時(shí)，第一步先進(jìn)行全堆分析，初始條件為堆芯入口處進(jìn)入各燃料組件的冷卻劑之和應(yīng)等于給定的冷卻劑總流量；堆芯出口處的約束條件為各燃料組件出口處的壓力相同。上述第一個(gè)條件是不成問題的，但是第二個(gè)條件中，堆芯出口處等壓面的位置難以確定。在第二步進(jìn)行熱組件內(nèi)各子通道分析時(shí)，因組件橫截面尺寸相對(duì)較小，可以認(rèn)為組件入口處是等壓面，但等壓面的位置需要確定。其次，在第一步分析中，各個(gè)組件在堆芯入口處壓力不相同，使壓降的起算基準(zhǔn)不同以及計(jì)算物性參數(shù)時(shí)較復(fù)雜。此外，在由第一步轉(zhuǎn)入第二步分析時(shí)，即使已知流出的冷卻劑組件的橫流量及焓，還要確定對(duì)于流入冷卻劑的相鄰組件各子通道的影響大小；從直觀來說，它與流體橫流過管束時(shí)的熱交換情況相類似，這個(gè)問題，應(yīng)通過計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。2. 同一個(gè)組件內(nèi)不同子通道的交混系數(shù)是不同的。若在同一個(gè)橫截面上取一個(gè)平均的交混系數(shù)，將影響計(jì)算的精確性。3. 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常將燃料組件局部位置上定位件對(duì)冷卻劑交混的貢獻(xiàn)沿流道全長(zhǎng)均勻化，這將影響到冷卻劑的焓值。對(duì)此要作計(jì)算分析，以判斷這一簡(jiǎn)化的可行性。4. 計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生流體沸騰的轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)的處理。當(dāng)某個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)部發(fā)生欠熱沸騰等轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)，可以調(diào)整步長(zhǎng)長(zhǎng)度，使轉(zhuǎn)變點(diǎn)移到步長(zhǎng)末端點(diǎn)上，但卻可能在相鄰流道統(tǒng)一步長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生欠熱沸騰轉(zhuǎn)變點(diǎn)。5. 計(jì)算的快速收斂問題。由于相鄰流道間橫流量和橫流阻力都很小，要使計(jì)算快速收斂，可有不同的方法。6. 進(jìn)行子通道分析的具體要求。首先必須知道詳細(xì)的堆芯三維功率分布，還必須通過堆本體水力模擬裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)知堆芯入口處分配到各組件的冷卻劑流量，以及通過實(shí)驗(yàn)測(cè)知相鄰流道流體間的交混系數(shù)與橫流阻力系數(shù)。另外也應(yīng)發(fā)展數(shù)學(xué)處理方面的計(jì)算方法。有了以上條件，可以使子通道分析更精確，計(jì)算更省，從而促進(jìn)反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)。[5] 3. 子通道程序到目前為止，國(guó)內(nèi)外已有大量用于反應(yīng)堆熱工水力計(jì)算的子通道模型的計(jì)算程序。這些程序的差別主要是處理橫流混合的方法和聯(lián)合求解方程組的方法不同。這些程序的水力模型基本相似，物理模型中最大的不確定性是子通道間的相互作用。這種相互作用是子通道分析的主要特點(diǎn)，通常有如下三個(gè)主要過程：由于子通道間橫向壓力梯度引起的橫向流，致使子通道間產(chǎn)生凈的質(zhì)量、能量和動(dòng)量交換；（1） 由壓力和流量的隨機(jī)波動(dòng)引起的湍流交混，它只引起子通道間凈的熱量和動(dòng)量交換，不引起質(zhì)量交換；（2） 在兩相流系統(tǒng)中，氣泡具有向高速區(qū)和幾何開闊區(qū)域轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)通常稱為“空泡漂移”，也會(huì)引起子通道間的質(zhì)量、能量和動(dòng)量交換。它們的共同點(diǎn)都是通過求解各子通道的質(zhì)量守恒、能量守恒和軸向、橫向動(dòng)量守恒等四個(gè)基本方程，先計(jì)算各子通道內(nèi)不同軸向高度上冷卻劑的質(zhì)量流量和焓值，求出最熱的通道。然后，再計(jì)算燃料元件棒的溫度場(chǎng)，求出燃料芯塊中心的最高溫度和燃料元件表面的最小臨界熱流密度比。[1]下文將列舉一些國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)特定堆型開發(fā)的子通道程序，另外詳細(xì)介紹兩個(gè)水堆通用的子通道程序VIPRE和COBRA。 針對(duì)特定的堆型開發(fā)的子通道程序研究人員基于熱工水力子通道分析方法，針對(duì)特定的堆型，開發(fā)了特定的子通道分析程序。西北核技術(shù)研究所、西安交通大學(xué)核熱能系陳立新等人開發(fā)的子通道程序PRTHA 應(yīng)用在西安脈沖堆上，計(jì)算了西安脈沖堆堆芯熱工參數(shù)。[6]中國(guó)原子能科學(xué)研究院郝老迷開發(fā)的THASPC2，用于計(jì)算穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下快堆燃料組件的流量、壓力和溫度分布。[7]清華大學(xué)工程物理系傅鋼等人開發(fā)的CASTA1，是水堆全堆芯和子通道兩流體瞬態(tài)分析程序。[8] 中國(guó)原子能科學(xué)研究院張東輝等人使用子通道程序SOBOS對(duì)中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR) 棒束型燃料組件內(nèi)的堵流進(jìn)行了計(jì)算和驗(yàn)證。[9]清華大學(xué)工程物理系王松濤等用ASSERTPV V3R1計(jì)算了TACR1000在不同釷裝填模式、不同功率、不同壽期下的子通道熱工水力學(xué)特性。[10] VIPRE01VIPRE01美國(guó)電力研究院（EPRI）投資開發(fā)的，能夠進(jìn)行詳細(xì)的熱工水力計(jì)算以獲取穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的最小偏離泡核沸騰比（MDNBR）。VIPRE01是有限容積三維反應(yīng)堆堆芯或其它類似結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)子通道分析程序。它能夠計(jì)算詳細(xì)的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)堆芯流量分布、冷卻劑狀態(tài)、燃料棒溫度以及MDNBR。VIPRE01源于COBRA，并擴(kuò)展了模型、數(shù)值計(jì)算、文件和適應(yīng)性，以滿足業(yè)主分析要求。美國(guó)核安全管理委員會(huì)（NRC）已經(jīng)審查了VIPRE01，并發(fā)布了一份安全評(píng)估報(bào)告，表明其分析結(jié)果在許可證申請(qǐng)中是可以接受的。VIPRE01在堆芯分析中的限制是堆芯入口流體狀態(tài)需要其它系統(tǒng)分析程序給出。它能夠計(jì)算單相流和均勻兩相流，從過冷到過熱以及超臨界。它針對(duì)過冷沸騰，使用經(jīng)驗(yàn)的過冷干度關(guān)系式，使用空泡干度關(guān)系式來近似兩相的影響。沸騰傳熱采用多種關(guān)系式，壁面摩擦力通過流體計(jì)算獲得，而不是依靠物性表的輸入。采用有限容積導(dǎo)熱模型來計(jì)算溫度分布和壁面、管道、棒和燃料棒的熱流密度。二氧化鈾和鋯合金的熱物性是安裝好的，其它材料物性需要通過輸入指定。對(duì)于燃料棒，有一個(gè)可用的動(dòng)態(tài)的燃料包殼導(dǎo)熱模型，用來計(jì)算熱膨脹和內(nèi)壓力的影響。堆芯功率通過徑向功率因子和軸向功率分布，以平均功率的方式指定。[11
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