ERVC整体动态特性及上部水箱热分层效应的实验与数值研究

论文摘要

我国引进第三代先进压水堆技术,提出了IVR-ERVC方案。目前由于运行和实验数据的缺乏导致对IVR-ERVC系统存在认知的局限性,有必要对ERVC冷却过程中涉及的两相自然循环流动过程和现象进行细致的了解与研究。由于非能动系统对系统内局部参数分布状况比较敏感,同时也有必要研究非能动系统内局部热分层现象对自然循环流动的影响,以提高系统的可靠性。为此,本论文基于实验研究、系统程序RELAP5以及计算模拟软件FLUENT对IVR-ERVC过程中两相自然循环行为和局部热分层现象进行分析。首先简单介绍了REPEC热态实验装置。加热实验采用高度方向1:1比例的一维实验装置,以外部加热的方式模拟压力容器外部冷却过程,通过改变加热热流的大小和分布、外部流道的结构和尺寸、入口过冷度研究各因素对外部冷却流动和传热、系统动态特性的影响。其次,在实验研究的基础上,采用RELAP5程序针对实验回路进行动态数值模拟。以RELAP5/MOD3为分析工具,建模并分析了热态条件下IVR-ERVC有关工况中两相自然循环流动特性与现象。得到的计算模拟结果与实验数据一致性较好:随加热热流、进出口面积的增加,系统内自然循环流量也增加;入口过冷度对自然循环流量的影响不是很明显;近饱和沸腾条件下,系统出现明显的两相不稳定流动。最后,由于压力容器外部冷却系统自然循环特性,回路内的温度场分布规律影响着自然循环能力和流动的稳定性。因此本文还对系统内冷却水箱的局部温度场分布进行了实验和数值研究。对所建立的三维瞬态模型进行了网格疏密程度、时间步长、湍流模型、进口几何结构以及有无初始速度等的敏感性分析。同时为验证计算方法的可靠性,计算结果和实验结果进行了对比,二者温度变化规律是一致的,误差最高相差5℃,控制在10%以内,计算模型和结果是有意义的。用FLUENT数值模拟分析了上部水箱的热分层形成过程。模拟计算了不同进口流速、不同初始温度时对上部水箱温度场分布的影响,得到了不同工况下水箱内部不同时刻瞬态的温度场图,显示了水箱内部热分层形成过程。并针对控制方程进行无量纲化,采用相似准则数对上部水箱内的热分层现象进行理论分析。本文旨在探索我国百万千瓦级压水堆核电厂ERVC实验回路数值分析方法,其研究成果为压水堆核电厂ERVC冷却性能的研究提供计算对象和理论分析工具,对今后的研究工作具有一定的启发与实用意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及问题的提出
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 IVR-ERVC系统特性研究
• 1.2.2 自然循环上部换热水箱热分层研究
• 1.3 本文的主要研究内容和思路
• 第二章 ERVC实验装置热态实验
• 2.1 热态实验系统设计
• 2.2 热态实验系统概况
• 2.2.1 加热系统
• 2.2.2 实验段
• 2.2.3 测量系统及精度
• 2.2.4 循环管路
• 2.2.5 实验过程
• 2.3 本章小结
• 第三章 ERVC系统动态特性的数值模拟
• 3.1 RELAP5 计算节点划分及建模过程
• 3.2 热态参数影响及其分析
• 3.2.1 热流密度影响
• 3.2.2 出口面积影响
• 3.2.3 进口面积影响
• 3.2.4 入口过冷度的影响
• 3.2.5 动态特性分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 ERVC装置局部热分层效应的实验研究
• 4.1 上部水箱热分层实验概况
• 4.2 上部水箱热分层实验方法
• 4.3 实验结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 ERVC装置局部热分层效应的数值研究
• 5.1 湍流模型及UDF简介
• 5.2 水箱三维瞬态热分层的数值模拟
• 5.2.1 物理模型的建立
• 5.2.2 边界条件与物性设置
• 5.3 网格及模型的敏感性分析
• 5.3.1 网格疏密程度对比
• 5.3.2 时间步长的对比
• 5.3.3 湍流模型的对比
• 5.3.4 入口几何结构的对比
• 5.3.5 初始条件的敏感性分析
• 5.4 计算结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 ERVC装置局部热分层的理论分析
• 6.1 无量纲参数的导出
• 6.2 无量纲参数的分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 论文总结
• 7.2 论文创新点
• 7.3 对未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文