海洋條件下反應(yīng)堆熱工水力參數(shù)的子通道計(jì)算

李志威，張小英，陳煥棟，白 寧，歷井鋼

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

海洋條件下反應(yīng)堆熱工水力參數(shù)的子通道計(jì)算

李志威1，張小英1，陳煥棟1，白 寧2，歷井鋼2

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

針對(duì)海洋條件下反應(yīng)堆的子通道熱工水力分析，建立了海洋運(yùn)動(dòng)附加力模型和瞬態(tài)入口邊界，將起伏、搖擺及復(fù)合運(yùn)動(dòng)的附加力關(guān)系式用于子通道模型的軸向和橫向動(dòng)量方程，并應(yīng)用到COBRA ⅢC程序?qū)⑵涓脑鞛檫m應(yīng)海洋條件的反應(yīng)堆子通道分析程序。作為驗(yàn)證，計(jì)算了加熱實(shí)驗(yàn)通道和“奧陸”堆在起伏運(yùn)動(dòng)情況下熱通道的臨界熱流密度比(CHFR)、出口空泡份額和冷卻劑流量，并與文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比。還詳細(xì)計(jì)算了“奧陸”堆在起伏、不同搖擺中心和復(fù)合運(yùn)動(dòng)情況下，熱通道的CHFR和不同位置子通道出口的熱工水力參數(shù)。研究表明：海洋條件下反應(yīng)堆的子通道熱工水力參數(shù)隨運(yùn)動(dòng)呈周期性變化；起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)子通道的壓降影響較大，搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)子通道冷卻劑的流量和溫度影響較大。

海洋條件；壓水堆；運(yùn)動(dòng)附加力；子通道程序

核動(dòng)力艦船在海洋條件下工作，運(yùn)動(dòng)條件下流過反應(yīng)堆堆芯的冷卻劑受到各種慣性力作用，使得堆芯子通道的熱工水力參數(shù)呈現(xiàn)與陸地反應(yīng)堆不同的特征，針對(duì)最小臨界熱流密度比(CHFR)和臨界熱流密度(CHF)的評(píng)價(jià)方法也不同，進(jìn)而對(duì)反應(yīng)堆的安全設(shè)計(jì)也提出不同的要求。目前國(guó)際通用的子通道程序一般都是基于陸地反應(yīng)堆而開發(fā)的[1-3]，不能適用于海洋條件下的反應(yīng)堆熱工水力分析。針對(duì)深水潛探、海上作業(yè)平臺(tái)及艦船核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)需要，研究海洋條件下反應(yīng)堆的熱工水力特征具有現(xiàn)實(shí)而深遠(yuǎn)的意義。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)海洋條件反應(yīng)堆的熱工水力研究注重分析附加力模型和反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力。錢立波等[4]提出了海洋條件下，運(yùn)動(dòng)對(duì)冷卻劑流動(dòng)的影響可歸結(jié)為動(dòng)量方程中附加力的改變，基于非慣性系海洋條件下幾種基本運(yùn)動(dòng)特征(前進(jìn)、傾斜、起伏、搖擺)，建立了典型海洋運(yùn)動(dòng)條件下用于動(dòng)量方程中的附加力模型。譚長(zhǎng)祿等[5]研究了傾斜、起伏和搖擺海洋條件的附加力模型，基于系統(tǒng)程序RELAP5開發(fā)了適用于海洋條件的反應(yīng)堆熱工水力系統(tǒng)分析程序，并對(duì)海洋條件下簡(jiǎn)單兩回路系統(tǒng)的自然循環(huán)特性進(jìn)行了計(jì)算分析。Kim等[6]針對(duì)海洋條件下船體的三維運(yùn)動(dòng)研究了運(yùn)動(dòng)附加力模型，并用于系統(tǒng)程序RETRAN的改造，計(jì)算搖擺、起伏和傾斜條件下船載反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力、冷卻劑流量和蒸汽發(fā)生器水位的波動(dòng)。將海洋運(yùn)動(dòng)附加力用于開發(fā)子通道程序的公開文獻(xiàn)較少，Ishida等[7]針對(duì)海洋條件的起伏運(yùn)動(dòng)，修改了COBRA-Ⅳ-Ⅰ程序中軸向動(dòng)量方程的重力加速度，采用重力加速度關(guān)聯(lián)的CHF關(guān)系式，計(jì)算了起伏運(yùn)動(dòng)條件下，日本“奧陸”堆的CHF點(diǎn)位置及數(shù)值。

海洋條件下，艦船運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)單一運(yùn)動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)的多樣性，反應(yīng)堆子通道的熱工水力特征變化復(fù)雜，目前尚無(wú)公開文獻(xiàn)全面地研究海洋各種運(yùn)動(dòng)條件下反應(yīng)堆的子通道熱工水力參數(shù)。為此，本文將綜合起伏、搖擺、起伏/搖擺復(fù)合運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)附加力模型，用于目前陸地反應(yīng)堆子通道程序COBRA ⅢC，將其改造為海洋條件下的程序。用改造后的程序，計(jì)算“奧陸”堆在地面和3種海洋運(yùn)動(dòng)條件下，堆芯子通道的熱工水力參數(shù)及CHF點(diǎn)參數(shù)，并將起伏運(yùn)動(dòng)下的結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的結(jié)果進(jìn)行比較。

1 子通道程序的動(dòng)量方程

COBRA ⅢC程序的子通道模型方程采用均相流模型[3]，本文改造海洋條件的子通道程序時(shí)，主要考慮將相應(yīng)運(yùn)動(dòng)下的附加力模型用于子通道模型的軸向和橫向動(dòng)量方程中。原子通道模型的軸向動(dòng)量方程增加附加力模型后成為：

(1)

式中：mi為通道中冷卻劑質(zhì)量流量；Ai為通道橫截面積；ρi為通道中冷卻劑密度；ui為通道中冷卻劑流速；pi為通道中的壓力；fi為單相摩擦因子；φi為兩相摩擦修正系數(shù)；Ki為格架摩擦系數(shù)；Vi為冷卻劑比體積；g0為重力加速度；θ為軸向通道方向與重位方向之間的夾角；u*為相鄰?fù)ǖ篱g的平均軸向流速；Wij為相鄰?fù)ǖ赖臋M向交混；Fx為海洋運(yùn)動(dòng)軸向附加力；下標(biāo)i表示通道號(hào)。

原子通道模型的橫向動(dòng)量方程增加附加力模型后成為：

(2)

2 海洋運(yùn)動(dòng)的附加力模型和邊界條件

海洋運(yùn)動(dòng)具有起伏、搖擺、起伏/搖擺復(fù)合的特征，令艦船上的非慣性坐標(biāo)系為Oxyz，陸地上的慣性坐標(biāo)系為O′x′y′z′，艦船在靜止條件下非慣性坐標(biāo)系成為慣性坐標(biāo)系。本節(jié)以堆芯的單個(gè)冷卻劑通道為對(duì)象，研究各種運(yùn)動(dòng)條件下，通道的軸向及橫向動(dòng)量方程中的附加力模型。

2.1 起伏運(yùn)動(dòng)的附加力模型

艦船的起伏運(yùn)動(dòng)通常具有簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特征，如圖1a所示。假設(shè)起伏運(yùn)動(dòng)時(shí)船體呈現(xiàn)一隨時(shí)間呈正弦曲線變化的運(yùn)動(dòng)加速度a(t)：

(3)

式中：t為起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)時(shí)刻；a(t)為對(duì)應(yīng)t時(shí)刻起伏運(yùn)動(dòng)加速度；am為起伏加速度幅值；T為起伏加速度的波動(dòng)周期。由此，起伏運(yùn)動(dòng)加速度對(duì)冷卻劑軸向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加力為：

(4)

圖1 海洋條件下的各種運(yùn)動(dòng)Fig.1 Motions under ocean condition

2.2 搖擺運(yùn)動(dòng)的附加力模型

(5)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]提出的海洋運(yùn)動(dòng)附加力模型，可得搖擺運(yùn)動(dòng)的總附加力為：

(6)

式中：ω(t)為搖擺運(yùn)動(dòng)的角速度；u為冷卻劑相對(duì)慣性系的流速；r為冷卻劑至搖擺中心點(diǎn)的距離。

軸向x的附加力分量為：

(7)

沿通道橫向z的附加力分量為：

(8)

搖擺中心位置不同，計(jì)算點(diǎn)的軸向和橫向坐標(biāo)不同，相應(yīng)的軸向附加力也不同，搖擺中心距計(jì)算點(diǎn)越遠(yuǎn)，軸向和橫向附加力就越大。

2.3 起伏/搖擺復(fù)合運(yùn)動(dòng)的附加力模型

由于艦船的起伏和搖擺運(yùn)動(dòng)均為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，起伏/搖擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)可考慮為兩種運(yùn)動(dòng)的疊加。因此，得到起伏/搖擺復(fù)合運(yùn)動(dòng)的軸向附加力為：

(9)

起伏/搖擺復(fù)合運(yùn)動(dòng)的橫向附加力為：

(10)

2.4 邊界條件

研究表明，海洋運(yùn)動(dòng)對(duì)反應(yīng)堆系統(tǒng)堆芯入口參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在堆芯的入口流量[8]，搖擺運(yùn)動(dòng)使堆芯入口流量隨運(yùn)動(dòng)呈瞬態(tài)變化，而起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)堆芯入口流量影響較小。搖擺運(yùn)動(dòng)下，不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)堆芯入口流量是不同的，針對(duì)入口流量的瞬態(tài)變化，建立了通道入口瞬變邊界，使堆芯入口流量為時(shí)間的函數(shù)，滿足：

(11)

式中：m搖擺為搖擺運(yùn)動(dòng)下堆芯入口流量；m平均值為搖擺運(yùn)動(dòng)下堆芯入口流量平均值；m幅值為搖擺運(yùn)動(dòng)下的流量波動(dòng)振幅。

3 海洋運(yùn)動(dòng)改造程序簡(jiǎn)介

基于COBRA-ⅢC改造的海洋條件的子通道熱工水力分析程序，通過在程序中建立通道入口參數(shù)的連續(xù)瞬變邊界和附加力瞬變模型，使程序具備模擬海洋條件下堆芯入口邊界參數(shù)連續(xù)瞬態(tài)變化與海洋運(yùn)動(dòng)導(dǎo)入的附加力瞬態(tài)變化功能。因此改造的程序初步具備對(duì)海洋條件下反應(yīng)堆堆芯瞬態(tài)熱工水力參數(shù)的分析能力。

4 海洋條件下反應(yīng)堆熱工水力子通道計(jì)算結(jié)果分析

4.1 加熱實(shí)驗(yàn)通道的驗(yàn)證性計(jì)算

為驗(yàn)證本文所改造的子通道程序，對(duì)文獻(xiàn)[7]中實(shí)驗(yàn)測(cè)量的起伏運(yùn)動(dòng)情況下，一加熱通道的熱工水力特性，采用本文程序進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)裝置采用電加熱，系統(tǒng)壓力為0.3 MPa，入口冷卻劑的過冷度為1 K，電加熱器棒外徑為10 mm，長(zhǎng)度為1 300 mm，加熱功率為130 kW/m2。初始狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)裝置在靜止條件下運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定后啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置起伏運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)置起伏運(yùn)動(dòng)的重力加速度變化幅度為0.35g0，周期為5.2 s，由此得到起伏加速度隨時(shí)間的變化如圖2所示，待起伏運(yùn)動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定階段后，再分析運(yùn)動(dòng)對(duì)通道熱工參數(shù)的影響。

圖2 起伏加速度隨時(shí)間的變化Fig.2 Acceleration amplitude vs. time

所計(jì)算的該加熱通道內(nèi)出現(xiàn)CHF的時(shí)刻如圖3所示。圖中，本文計(jì)算出加熱通道出現(xiàn)CHF的時(shí)段與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的基本一致，但計(jì)算出現(xiàn)CHF的時(shí)刻較實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的時(shí)刻早。對(duì)此，本文分析是實(shí)驗(yàn)中流體升溫與壁面的加熱存在一定的延遲，而計(jì)算中沒有這種影響，造成計(jì)算出現(xiàn)CHF的時(shí)刻較實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的早。

起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)CHFR和出口空泡份額的影響示于圖4。圖4a中，CHFR=臨界熱流密度/實(shí)際熱流密度，圖中文獻(xiàn)結(jié)果是采用程序COBRA Ⅳ改造后計(jì)算的。從圖4a可看出，本文所計(jì)算的CHFR與文獻(xiàn)結(jié)果的一致性很好。由于起伏加速度的周期性變化，通道的CHFR也呈現(xiàn)相同的周期性變化。圖4b中，計(jì)算結(jié)果有兩組：1) 本文用COBRA ⅢC程序改造后計(jì)算的結(jié)果；2) 文獻(xiàn)[7]用COBRA Ⅳ程序改造后計(jì)算的結(jié)果。可看出：實(shí)驗(yàn)測(cè)量的空泡份額隨時(shí)間呈一定的周期性變化，但文獻(xiàn)計(jì)算和本文計(jì)算的出口空泡份額均基本不變。原因是實(shí)驗(yàn)裝置是一回路系統(tǒng)，在起伏慣性力的周期性作用下，裝置中的冷卻劑流量發(fā)生周期性變化，導(dǎo)致出口空泡份額的周期性變化。而在子通道計(jì)算中，通道入口條件參數(shù)和加熱功率一定，起伏運(yùn)動(dòng)時(shí)單一通道不會(huì)產(chǎn)生橫流，因此，通道中冷卻劑流量和空泡份額均不會(huì)隨時(shí)間變化。圖中的兩組計(jì)算結(jié)果的一致性較好，文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果較本文計(jì)算結(jié)果約小4%。

圖3 通道中CHF出現(xiàn)的時(shí)刻Fig.3 Moment of CHF occurring in channel

4.2 “奧陸”堆起伏運(yùn)動(dòng)的子通道驗(yàn)證計(jì)算

針對(duì)日本核動(dòng)力艦船采用的“奧陸”堆，文獻(xiàn)[7]還研究了在COBRA Ⅳ程序中添加起伏慣性力并修改CHF關(guān)系式，以計(jì)算“奧陸”堆起伏運(yùn)動(dòng)下，反應(yīng)堆熱通道出口的冷卻劑流量和CHFR。

圖4 起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)CHFR和出口空泡份額的影響Fig.4 Effect of heaving motion on CHFR and outlet void fraction

文獻(xiàn)[7]推薦“奧陸”堆起伏運(yùn)動(dòng)下的CHF關(guān)系式為：

(12)

式中：qCHF0為地面條件下的臨界熱流密度；Δg為重位方向變化的起伏加速度。

本文采用文獻(xiàn)[7]的CHF關(guān)系式和基于COBRA ⅢC改造的子通道程序，在相同條件參數(shù)下進(jìn)行了計(jì)算，并將本文計(jì)算的熱通道出口參數(shù)與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。“奧陸”堆的堆芯子通道如圖5所示，所采用的計(jì)算參數(shù)列于表1。由于文獻(xiàn)[7]未給出計(jì)算采用的堆芯功率分布，本文根據(jù)文獻(xiàn)[9]選取“奧陸”堆的功率因子(表2)。

圖5 “奧陸”堆堆芯子通道Fig.5 Core sub-channel of MUTSU reactor

表1 “奧陸”堆的子通道計(jì)算參數(shù)Table 1 Sub-channel calculation parameter for MUTSU reactor

表2 “奧陸”堆的功率因子Table 2 Power factor of MUTSU reactor

起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)反應(yīng)堆熱通道出口冷卻劑流量和CHFR的影響示于圖6。從圖6a可看出，流量隨反應(yīng)堆的起伏運(yùn)動(dòng)呈周期性變化，這一點(diǎn)與上述單加熱通道在起伏運(yùn)動(dòng)下的流量特征不同。分析原因是“奧陸”堆堆芯熱功率存在徑向差異，子通道間有橫流，起伏運(yùn)動(dòng)使得橫流量呈周期性變化，導(dǎo)致熱通道出口的冷卻劑流量呈周期性變化。本文計(jì)算的熱通道出口冷卻劑流量隨時(shí)間的變化與文獻(xiàn)結(jié)果一致性較好。從圖6b可看出，由于受到起伏慣性力和流量周期性變化的影響，導(dǎo)致熱通道的CHFR在起伏運(yùn)動(dòng)過程中也呈周期性變化。本文計(jì)算熱通道CHFR的變化周期和幅值與文獻(xiàn)的一致，但本文計(jì)算的CHFR平均值較文獻(xiàn)結(jié)果約高25%，原因可能是本文采用的堆芯功率因子與文獻(xiàn)[7]有差異，文獻(xiàn)[7]中采用的功率因子不詳。

圖6 起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)反應(yīng)堆熱通道出口冷卻劑流量和CHFR的影響Fig.6 Effect of heaving motion on exit coolant flux and CHFR in hot channel

4.3 “奧陸”堆在地面及3種海洋運(yùn)動(dòng)條件下的子通道計(jì)算分析

為全面研究海洋運(yùn)動(dòng)對(duì)反應(yīng)堆堆芯熱工水力參數(shù)的影響，本文還針對(duì)“奧陸”堆，采用表2所列的功率因子，計(jì)算了地面條件、起伏運(yùn)動(dòng)、搖擺運(yùn)動(dòng)及復(fù)合運(yùn)動(dòng)4種工況下的子通道熱工參數(shù)；對(duì)比不同運(yùn)動(dòng)狀況下堆芯熱通道的CHFR；獲得典型子通道：邊通道3、角通道10及中心通道14的熱工水力參數(shù)。計(jì)算搖擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，起伏運(yùn)動(dòng)的附加力參數(shù)與表1相同。起伏/搖擺復(fù)合運(yùn)動(dòng)參數(shù)與單一起伏、搖擺運(yùn)動(dòng)參數(shù)一致。圖7示出4種工況下相對(duì)軸向附加力。

圖7 4種工況下相對(duì)軸向附加力Fig.7 Relative axial additional force in different motion conditions

1) 地面及3種海洋運(yùn)動(dòng)條件下的子通道CHFR計(jì)算分析

4種工況下熱通道最小CHFR如圖8所示。地面條件下熱通道熱點(diǎn)處的CHFR不隨時(shí)間變化，但在其他3種運(yùn)動(dòng)工況下，熱點(diǎn)CHFR均隨時(shí)間周期性地變化。對(duì)比圖7，運(yùn)動(dòng)情況下CHFR變化的周期與附加力相同。起伏運(yùn)動(dòng)的CHFR相對(duì)地面條件上下波動(dòng)；搖擺運(yùn)動(dòng)的CHFR均比地面條件的小，這是由于搖擺運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)了通道間的橫流，增強(qiáng)了冷卻劑對(duì)壁面的沖刷，加大了壁液間的換熱，從而降低了CHFR；起伏/復(fù)合運(yùn)動(dòng)的CHFR體現(xiàn)為兩種運(yùn)動(dòng)的疊加。

圖8 4種工況下熱通道最小CHFR Fig.8 MCHFR of hot channel in different motion conditions

為比較“奧陸”堆在地面和不同運(yùn)動(dòng)工況下熱通道的CHFR，研究附加力分別達(dá)到峰值和谷值時(shí)沿?zé)嵬ǖ赖腃HFR。圖9為起伏運(yùn)動(dòng)熱通道CHFR軸向分布。圖中熱通道的CHFR沿通道高度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，這是由通道內(nèi)冷卻劑的溫度上升及反應(yīng)堆的軸向功率因子決定的；附加力達(dá)到最大時(shí)，反應(yīng)堆的流量也達(dá)到最大，此時(shí)CHFR相比地面工況的高；反之亦然。

圖9 起伏運(yùn)動(dòng)熱通道CHFR軸向分布Fig.9 CHFR axial distribution of hot channel under heaving motion condition

海洋條件下熱通道CHFR的變化示于圖10。從圖10a可看出，隨附加力的變化，熱通道的CHFR變化很小，這是因?yàn)閾u擺運(yùn)動(dòng)的軸向附加力變化幅度要較起伏運(yùn)動(dòng)的小。

圖10 海洋條件下熱通道CHFR的變化Fig.10 Variation of CHFR for hot channel under ocean condition

比較圖10b與圖9可看出，在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中，起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)熱通道的CHFR影響較大。綜合地面及以上3種運(yùn)動(dòng)情況的結(jié)果，熱通道中最小CHFR的位置均在z/H=0.8處，不因運(yùn)動(dòng)方式不同而改變。

2) 地面及3種海洋運(yùn)動(dòng)不同位置的子通道計(jì)算分析

同樣，以“奧陸”堆中心通道為例，在地面及3種運(yùn)動(dòng)條件下，通道的詳細(xì)熱工水力參數(shù)如圖11、12所示。從圖11a可看出，起伏運(yùn)動(dòng)的壓降相對(duì)地面壓降呈上下對(duì)稱的周期變化；搖擺運(yùn)動(dòng)的壓降雖也呈周期性的起伏變化，但均較地面壓降小；復(fù)合運(yùn)動(dòng)的壓降表現(xiàn)為起伏和搖擺兩種運(yùn)動(dòng)的壓降疊加。從圖11b可看出，起伏運(yùn)動(dòng)的出口冷卻劑流量與地面情況基本相同，搖擺運(yùn)動(dòng)和起伏/搖擺復(fù)合運(yùn)動(dòng)的流量呈上下對(duì)稱的周期變化，原因是搖擺運(yùn)動(dòng)時(shí)子通道間有較大橫流，而起伏運(yùn)動(dòng)時(shí)橫流很小。復(fù)合運(yùn)動(dòng)的流量變化曲線的相位較搖擺運(yùn)動(dòng)滯后約π/4，這是因?yàn)閺?fù)合運(yùn)動(dòng)的軸向附加力改變了相鄰?fù)ǖ赖膲翰睿谙噜復(fù)ǖ篱g產(chǎn)生橫流，橫流產(chǎn)生相對(duì)壓差有一定滯后。

圖11 不同運(yùn)動(dòng)對(duì)壓降和出口冷卻劑流量的影響Fig.11 Effect of different motions on pressure drop and exit coolant flux

圖12 不同運(yùn)動(dòng)對(duì)出口冷卻劑溫度和包殼溫度的影響Fig.12 Effect of different motions on exit coolant and cladding temperatures

從圖12a可看出，受流量變化的影響，起伏運(yùn)動(dòng)的出口冷卻劑溫度與地面情況基本相同；搖擺運(yùn)動(dòng)與復(fù)合運(yùn)動(dòng)的出口冷卻劑溫度隨時(shí)間有小幅的周期變化，復(fù)合運(yùn)動(dòng)的流量曲線相對(duì)搖擺運(yùn)動(dòng)滯后π/4，兩種運(yùn)動(dòng)均使出口冷卻劑溫度有所降低。從圖12b可看出，包殼溫度也受流量變化影響，起伏運(yùn)動(dòng)的出口冷卻劑溫度與地面情況基本相同；搖擺運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)的出口包殼溫度均對(duì)稱于地面溫度周期地變化，復(fù)合運(yùn)動(dòng)的包殼溫度變化幅度更大；搖擺運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)中心通道出口的包殼溫度變化曲線存在相位差π/4。

5 結(jié)論

本文通過建立海洋條件的附加力模型，在子通道程序COBRA ⅢC基礎(chǔ)上，開發(fā)適用于海洋條件下的反應(yīng)堆熱工水力子通道分析程序。開發(fā)的程序能對(duì)海洋條件下反應(yīng)堆堆芯不同工況進(jìn)行計(jì)算，具備對(duì)海洋條件反應(yīng)堆堆芯熱工水力計(jì)算分析能力。利用程序計(jì)算并驗(yàn)證了起伏運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)通道的CHFR和空泡份額，以及“奧陸”堆在起伏運(yùn)動(dòng)情況下熱通道的CHFR、出口空泡份額和冷卻劑流量，驗(yàn)證計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果一致。還詳細(xì)計(jì)算了“奧陸”堆在起伏、搖擺和復(fù)合運(yùn)動(dòng)情況下，熱通道的CHFR和不同位置子通道出口的熱工水力參數(shù)。

[1] 唐錫文. 用FLICA3分析自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)特性[J]. 核動(dòng)力工程，1997,18(3):254-257.

TAN Xiwen. Analysis on behavior of natural circulation by FLICA3[J]. Nuclear Power Engineering, 1997, 18(3): 254-257(in Chinese).

[2] 白寧,朱元兵,任志豪,等. 子通道分析程序LINDEN的開發(fā)與初步驗(yàn)證[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2013,47(2)：299-301.

BAI Ning, ZHU Yuanbing, REN Zhihao, et al. Development and verification of subchannel analysis code LINDEN[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(2): 299-301(in Chinese).

[3] JACKSON J W. COBRA ⅢC/MIT2: A digital computer program for stead state and transient thermal-hydraulic analysis of rod bundle nuclear fuel elements, BNWL-1695[R]. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, 1973.

[4] 錢立波,田文喜,秋穗正,等. 一維冷卻劑通道海洋條件下附加力模型研究[J]. 核動(dòng)力工程，2012,33(2):104-109.

QIAN Libo, TIAN Wenxi, QIU Suizheng, et al. Research on model of additional forces of ocean conditions in one-dimensional coolant channel[J]. Nuclear Power Engineering, 2012, 33(2): 104-109(in Chinese).

[5] 譚長(zhǎng)祿,張虹,趙華. 基于RELAP5的海洋條件下反應(yīng)堆熱工水力系統(tǒng)分析程序開發(fā)[J].核動(dòng)力工程，2009,30(6):53-62.

TAN Changlu, ZHANG Hong, ZHAO Hua. Development of ocean-condition code based on RELAP5[J]. Nuclear Power Engineering, 2009, 30(6): 53-62(in Chinese).

[6] KIM J K, PARK G C. Development of RETRAN-03/MOV code for thermal-hydraulic analysis of nuclear reactor under moving conditions[J]. Journal of the Korean Nuclear Society, 1996, 28(6): 542-550.

[7] ISHIDA I, KUSUNOKI T, MURATA H, et al. Thermal-hydraulic behavior of a marine reactor during oscillations[J]. Nuclear Engineering and Design, 1990, 120: 213-225.

[8] 譚思超，龐鳳閣，高璞珍. 搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)自然循環(huán)傳熱特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 核動(dòng)力工程, 2006,27(5):33-37.

TAN Sichao, PANG Fengge, GAO Puzhen. Experimental research of effect of rolling upon heat transfer characteristic of natural circulation[J]. Nuclear Power Engineering, 2006, 27(5): 33-37(in Chinese).

[9] TAKANORI S, MASAFUMI I, MASAO O, et al. Static core performance simulator SCOPERS-2 for light water reactors and its application, NEACRP-L205[R]. Tokai: Japan Atomic Energy Research Institute, 1978.

Sub-channel Analysis on Thermal-hydraulic Characteristic of PWR under Ocean Condition

LI Zhi-wei1, ZHANG Xiao-ying1, CHEN Huan-dong1, BAI Ning2, LI Jing-gang2

(1.SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2.ChinaNuclearPowerTechnologyResearchInstitute,Shenzhen518026,China)

According to the thermal-hydraulic analysis of sub-channel, additional force models of heaving, rolling and complex movement under ocean conditions were established and applied to the sub-channel momentum equation in COBRA ⅢC sub-channel analysis code. The inlet boundary of ocean conditions was also established in this paper. The critical heat flux ratio, exit void fraction and coolant flow of the hot channel were calculated for MUTSU reactor and experiment heating tube, and the results were compared with the experiment data from literature. Calculated thermal-hydraulic characteristics of MUTSU reactor were studied under ocean conditions. The research results show that thermal-hydraulic parameters are varied periodically under fluctuating of ocean conditions. The heaving motion has a large impact on pressure drop of the sub-channel. The sub-channel coolant flow and temperature are greatly influenced by swing motion.

ocean condition; pressurized water reactor; motion additional force; sub-channel code

2014-05-23;

2014-07-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376065,51176052)

李志威(1990—)，男，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，工程熱物理專業(yè)

TL33

A

1000-6931(2015)10-1758-08

10.7538/yzk.2015.49.10.1758