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超临界压力水管内流动不稳定性的实验研究与数值分析

批准号:
52076172
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
杨冬
依托单位:
学科分类:
多相流热物理学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨冬

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
超临界水冷堆和超(超)临界锅炉能够有效提高主蒸汽参数,对于提高能源利用效率和节能减排具有重要的意义。由于堆芯和蒸发受热面进出口物性参数的剧烈变化,流动不稳定性已经成为影响设备安全运行的关键问题。本项目将搭建能够实现真实压力和温度的超临界水流动不稳定实验系统,通过实验研究获得高热流密度条件下超临界压力水的静态不稳定和动态不稳定的起始点条件及压力、流量、进口温度与节流系数、以及可压缩容积等关键参数的影响规律,掌握流动不稳定的实验方法和测量数据辨识与处理理论。基于燃料放热-传导-对流相互耦合的汽水系统多参数非线性特点,建立跨临界压力的汽水流动不稳定性数学模型,并采用时域方法对控制方程进行求解。对全运行负荷范围内的汽水系统流动不稳定性进行计算分析,揭示超临界压力区流动不稳定性的类型、机理及边界,谋求相应的汽水系统调控策略。该研究可为进一步拓宽设备安全运行与控制的流体动力学基础提供科学依据。
英文摘要
The thermal parameters of main steam can be increased effectively by supercritical water nuclear reactor (SCWR) and boiler (SPB or USPB), and this is very important for the development of energy utilization efficiency, energy conservation, and emission reduction. Due to the drastic fluid thermal physical properties change from the inlet to the outlet of the core or evaporator, flow instability has become a fundamental problem for the safe operation of related equipments. An experimental system of flow instability for supercritical water should be built to achieve the practical pressure and temperature. The threshold of static instability and dynamic instability, and the effects of pressure, flow rate, heat flux, inlet temperature and orifice pressure drop coefficient, and compressible volume on these instabilities inside tubes can be obtained by the experimental study. The experimental methods and theory of measured data identification and processing will be presented in this study. Based on the coupling fuel heat release-conduction-convection of working fluid, the trans-critical and supercritical flow instability model will be developed, and the governing equations can be solved by applying time-domain approach. The numerical analysis on the characteristics of working fluid flow instability in the range of total operation loads will reveal the types, mechanisms, and boundaries of supercritical water flow instability, and the corresponding control strategy of fluid flow system will be presented. The results can provide scientific guidance for the fluid dynamics related to the safe operation and control of SCWR and USPB.
本项目采用实验研究、机理分析与数值模拟相结合的方法对超临界水管内流动不稳定特性及其调控策略展开了研究。搭建了超临界水稳态流动传热实验系统,研究了超临界水及汽水两相在各种流道中的流动传热特性,获得了各种稳态条件下的基础流动传热数据,并拟合得到了传热系数与摩擦系数的计算关联式;搭建了超临界水流动不稳定性实验系统,实验研究了亚临界至超临界压力参数范围内汽水两相及超临界水的流动不稳定特性,获得了亚临界、近临界和超临界压力参数范围内的流动不稳定性的发生规律及其边界条件,揭示了压力、流量、进口过冷度、进口节流系数及上游可压缩容积对流动不稳定性的影响规律;基于燃料放热—传导—对流相互耦合的汽水系统多参数耦合性特点,以质量守恒、动量守恒和能量守恒方程为基础,并以稳态实验得到的流动传热计算关联式为补充方程,在考虑大比热区物性剧烈变化及亚临界压力区汽水两相流动不稳定性理论模型的衔接性和扩展性的条件下,建立了跨临界压力的汽水流动不稳定性数学模型;对典型动力设备全运行负荷范围内汽水系统流动不稳定性进行了数值分析,揭示了热流密度变化时通道内工质温度、压力、流量、金属壁温等耦合输出参数的响应规律,并探索了全运行负荷范围内燃料放热量变化时汽水系统的调控策略;通过频域法构建的流动不稳定性计算方法,分析了压力、质量流量、进口过冷度和管道几何形状等不同影响因素下的不稳定边界特性,分析了特定工况的流动稳定裕度;本研究从深层次揭示了超临界压力水流动不稳定发生的机理和基本规律,丰富了高温高压汽水系统技术体系,同时为该技术在超临界水冷堆和超(超)临界锅炉领域的应用奠定了基础并提供了开发思路。
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