自然循环净蒸汽产生点计算分析

孙景坤+方丽红

摘  要  自然循环是在闭合回路内依靠热段和冷段中的流体密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环。通常将可以看到的有气泡开始脱离加热表面进入主流的点定义为气泡脱离点或净蒸汽产生点（FDB）。在压水反应堆中，净蒸汽产生起始点对堆芯冷却剂通道内的中子慢化性能及流动不稳定性都有重要的影响。因此，在压水反应堆的设计中，净蒸汽产生起始点的计算直接影响反应堆的安全性。本文将从加热功率、流体进口温度、流量和压力等几方面对其特性进行分析比较。

关键词  自然循环;净蒸汽产生点;过冷沸腾

中图分类号：TL334      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）22-0058-01

1  计算模型

1）强迫循环过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度计

算式。

Saha模型被认为是目前为止用于预测强迫循环过冷沸腾净蒸汽产生点的精度较高的一个模型。Saha模型预测过冷沸腾净蒸汽产生点的热流密度经验公式如下：

当时

（1）

2）自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度计

算式。

①清华大学的杨瑞昌教授等提出了以下的预测自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点的经验公式[2]：

（2）

②孙奇等根据在低流速工况下，过冷沸腾净蒸汽产生点主要受流体热力学特性控制，对垂直壁面上的沸腾气泡列力的平衡方程，最终得出了过冷沸腾净蒸汽产生点蒸发冷凝模型[1]：

（3）

2  算例

选取=-0.1，进口温度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。进口温度、质量流速、压力与过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度间的关系如图1、图2、图3所示。

3  结果分析

1）加热量对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

热流密度增大时，过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度减小。这是由于当加热量增大时，处于较低热力学平衡干度的液相容易获得足够的能量，产生气泡并以致发生跃离，即导致过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度减小。在其它条件相同的情况下，热流密度的增加导致加热段流体温度的升高，一方面，增大了这种密度差，即驱动力变大，使得产生的气泡更加容易脱离壁面，另一方面，使得局部过冷度降低，气泡能够进入主流核心。而强迫循环的驱动力主要依靠外力，这种密度差变化对它产生的影响不大，所以强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变化不大。

2）进口温度对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

在加热量相同的条件下，杨瑞昌经验公式的计算结果反映了自然循环过冷沸腾在较低入口温度下出现过冷沸腾净蒸汽产生点，此时的热力学平衡干度较低，并随入口温度的提高而减小。这是由于入口温度的增加使得流体的密度差变大，驱动力变大，流体的扰动性增加，产生的气泡更加容易脱离壁面的缘故。在强迫循环中，由于所选温度变化范围还不是很大，造成相关计算参数包括物性均很小，因此，在该温度变化范围内，强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变化很小。

3）质量流速对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

一般而言，流速增加，扰动增加，气泡产生并易脱离壁面。但流量增大的同时，削弱了同等热量对流体的贡献，增大了热容量，可能导致过冷沸腾起始点不易产生，从而引起过冷沸腾净蒸汽产生点的延迟，即过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度增加。强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度基本不随质量流速发生变化，由公式可以看出是因为质量流速较低的缘故。至于在同等流量下，自然循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度小于强迫循环是由于此时自然循环中有较大的密度差环境，扰动增加，气泡更易产生并跃离。

4）压力对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

压力从两个方面影响过冷沸腾净蒸汽产生点。一方面，系统压力升高，工质的沸点提高，抑制净蒸汽的产生，同时，汽水密度差减小，扰动减小，气泡不易脱离加热面，这两个因素均使过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变大。另一方面，压力升高，液体的表面张力减小，汽化核心增多，容易提前发生过冷沸腾出现过冷沸腾净蒸汽产生点。由图3可以看出，过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度均随系统压力的增加而减小。

参考文献

[1]孙奇，杨瑞昌.低流速净蒸汽产生点模型预测过冷沸腾空泡率[J].热能动力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]杨瑞昌，王彦武，唐虹，梁玥.自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点的实验研究[J].工程热物理学报，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真焕.核反应堆热工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint

摘  要  自然循环是在闭合回路内依靠热段和冷段中的流体密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环。通常将可以看到的有气泡开始脱离加热表面进入主流的点定义为气泡脱离点或净蒸汽产生点（FDB）。在压水反应堆中，净蒸汽产生起始点对堆芯冷却剂通道内的中子慢化性能及流动不稳定性都有重要的影响。因此，在压水反应堆的设计中，净蒸汽产生起始点的计算直接影响反应堆的安全性。本文将从加热功率、流体进口温度、流量和压力等几方面对其特性进行分析比较。

关键词  自然循环;净蒸汽产生点;过冷沸腾

中图分类号：TL334      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）22-0058-01

1  计算模型

1）强迫循环过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度计

算式。

Saha模型被认为是目前为止用于预测强迫循环过冷沸腾净蒸汽产生点的精度较高的一个模型。Saha模型预测过冷沸腾净蒸汽产生点的热流密度经验公式如下：

当时

（1）

2）自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度计

算式。

①清华大学的杨瑞昌教授等提出了以下的预测自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点的经验公式[2]：

（2）

②孙奇等根据在低流速工况下，过冷沸腾净蒸汽产生点主要受流体热力学特性控制，对垂直壁面上的沸腾气泡列力的平衡方程，最终得出了过冷沸腾净蒸汽产生点蒸发冷凝模型[1]：

（3）

2  算例

选取=-0.1，进口温度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。进口温度、质量流速、压力与过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度间的关系如图1、图2、图3所示。

3  结果分析

1）加热量对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

热流密度增大时，过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度减小。这是由于当加热量增大时，处于较低热力学平衡干度的液相容易获得足够的能量，产生气泡并以致发生跃离，即导致过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度减小。在其它条件相同的情况下，热流密度的增加导致加热段流体温度的升高，一方面，增大了这种密度差，即驱动力变大，使得产生的气泡更加容易脱离壁面，另一方面，使得局部过冷度降低，气泡能够进入主流核心。而强迫循环的驱动力主要依靠外力，这种密度差变化对它产生的影响不大，所以强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变化不大。

2）进口温度对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

在加热量相同的条件下，杨瑞昌经验公式的计算结果反映了自然循环过冷沸腾在较低入口温度下出现过冷沸腾净蒸汽产生点，此时的热力学平衡干度较低，并随入口温度的提高而减小。这是由于入口温度的增加使得流体的密度差变大，驱动力变大，流体的扰动性增加，产生的气泡更加容易脱离壁面的缘故。在强迫循环中，由于所选温度变化范围还不是很大，造成相关计算参数包括物性均很小，因此，在该温度变化范围内，强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变化很小。

3）质量流速对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

一般而言，流速增加，扰动增加，气泡产生并易脱离壁面。但流量增大的同时，削弱了同等热量对流体的贡献，增大了热容量，可能导致过冷沸腾起始点不易产生，从而引起过冷沸腾净蒸汽产生点的延迟，即过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度增加。强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度基本不随质量流速发生变化，由公式可以看出是因为质量流速较低的缘故。至于在同等流量下，自然循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度小于强迫循环是由于此时自然循环中有较大的密度差环境，扰动增加，气泡更易产生并跃离。

4）压力对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

压力从两个方面影响过冷沸腾净蒸汽产生点。一方面，系统压力升高，工质的沸点提高，抑制净蒸汽的产生，同时，汽水密度差减小，扰动减小，气泡不易脱离加热面，这两个因素均使过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变大。另一方面，压力升高，液体的表面张力减小，汽化核心增多，容易提前发生过冷沸腾出现过冷沸腾净蒸汽产生点。由图3可以看出，过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度均随系统压力的增加而减小。

参考文献

[1]孙奇，杨瑞昌.低流速净蒸汽产生点模型预测过冷沸腾空泡率[J].热能动力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]杨瑞昌，王彦武，唐虹，梁玥.自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点的实验研究[J].工程热物理学报，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真焕.核反应堆热工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint

摘  要  自然循环是在闭合回路内依靠热段和冷段中的流体密度差所产生的驱动压头来实现的流动循环。通常将可以看到的有气泡开始脱离加热表面进入主流的点定义为气泡脱离点或净蒸汽产生点（FDB）。在压水反应堆中，净蒸汽产生起始点对堆芯冷却剂通道内的中子慢化性能及流动不稳定性都有重要的影响。因此，在压水反应堆的设计中，净蒸汽产生起始点的计算直接影响反应堆的安全性。本文将从加热功率、流体进口温度、流量和压力等几方面对其特性进行分析比较。

关键词  自然循环;净蒸汽产生点;过冷沸腾

中图分类号：TL334      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）22-0058-01

1  计算模型

1）强迫循环过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度计

算式。

Saha模型被认为是目前为止用于预测强迫循环过冷沸腾净蒸汽产生点的精度较高的一个模型。Saha模型预测过冷沸腾净蒸汽产生点的热流密度经验公式如下：

当时

（1）

2）自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度计

算式。

①清华大学的杨瑞昌教授等提出了以下的预测自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点的经验公式[2]：

（2）

②孙奇等根据在低流速工况下，过冷沸腾净蒸汽产生点主要受流体热力学特性控制，对垂直壁面上的沸腾气泡列力的平衡方程，最终得出了过冷沸腾净蒸汽产生点蒸发冷凝模型[1]：

（3）

2  算例

选取=-0.1，进口温度=60～100℃，=13.0，=300.0，=0.01，=22.064。进口温度、质量流速、压力与过冷沸腾净蒸汽产生点热力学平衡干度间的关系如图1、图2、图3所示。

3  结果分析

1）加热量对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

热流密度增大时，过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度减小。这是由于当加热量增大时，处于较低热力学平衡干度的液相容易获得足够的能量，产生气泡并以致发生跃离，即导致过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度减小。在其它条件相同的情况下，热流密度的增加导致加热段流体温度的升高，一方面，增大了这种密度差，即驱动力变大，使得产生的气泡更加容易脱离壁面，另一方面，使得局部过冷度降低，气泡能够进入主流核心。而强迫循环的驱动力主要依靠外力，这种密度差变化对它产生的影响不大，所以强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变化不大。

2）进口温度对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

在加热量相同的条件下，杨瑞昌经验公式的计算结果反映了自然循环过冷沸腾在较低入口温度下出现过冷沸腾净蒸汽产生点，此时的热力学平衡干度较低，并随入口温度的提高而减小。这是由于入口温度的增加使得流体的密度差变大，驱动力变大，流体的扰动性增加，产生的气泡更加容易脱离壁面的缘故。在强迫循环中，由于所选温度变化范围还不是很大，造成相关计算参数包括物性均很小，因此，在该温度变化范围内，强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变化很小。

3）质量流速对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

一般而言，流速增加，扰动增加，气泡产生并易脱离壁面。但流量增大的同时，削弱了同等热量对流体的贡献，增大了热容量，可能导致过冷沸腾起始点不易产生，从而引起过冷沸腾净蒸汽产生点的延迟，即过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度增加。强迫循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度基本不随质量流速发生变化，由公式可以看出是因为质量流速较低的缘故。至于在同等流量下，自然循环的过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度小于强迫循环是由于此时自然循环中有较大的密度差环境，扰动增加，气泡更易产生并跃离。

4）压力对过冷沸腾净蒸汽产生点的影响。

压力从两个方面影响过冷沸腾净蒸汽产生点。一方面，系统压力升高，工质的沸点提高，抑制净蒸汽的产生，同时，汽水密度差减小，扰动减小，气泡不易脱离加热面，这两个因素均使过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度变大。另一方面，压力升高，液体的表面张力减小，汽化核心增多，容易提前发生过冷沸腾出现过冷沸腾净蒸汽产生点。由图3可以看出，过冷沸腾净蒸汽产生点的热力学平衡干度均随系统压力的增加而减小。

参考文献

[1]孙奇，杨瑞昌.低流速净蒸汽产生点模型预测过冷沸腾空泡率[J].热能动力工程，2004，19（02）：124-126.

[2]杨瑞昌，王彦武，唐虹，梁玥.自然循环过冷沸腾净蒸汽产生点的实验研究[J].工程热物理学报，2003，24（02）：247-250.

[3]于平安，朱瑞安，喻真焕.核反应堆热工分析[M].北京：原子能出版社，1986.endprint