简单矩形回路内稳态自然循环流量的预测

吕发 何祖娟 徐海波 黄彦平 王艳林

摘要：本文以简单矩形回路为对象，给出了基于稳态条件下自然循环系统内的驱动力与阻力平衡的原则预测回路内稳态自然循环流量的方法，分别对亚临界与超临界水稳态自然循环流量进行了计算，并将计算结果与实验值进行了对比，结果表明：预测结果与实验值符合较好，本文给出的方法能较好的预测简单矩形回路内的亚临界与超临界水稳态自然循环流量。

关键词：超临界水；稳态自然循环；流量

1 引 言

自然循环是指在闭合系统中不依赖外界动力源，仅由冷热流体间的密度差形成的浮升力驱动流体循环流动的一种能量传输方式[1]。自然循环作为一种非能动安全传热手段在反应堆系统中得到越来越越广泛的应用，自然循环在新一代反应堆概念中受到特别的关注。将自然循环作为一种正常运行工况是舰船核动力装置提高安静性与隐蔽性的重要手段之一。以自然循环方式带走热源热量的能力称为系统的自然循环能力。自然循环能力的有无和大小是衡量反应堆系统非能动安全性及舰船核动力装置先进性的重要指标之一。在超临界条件下，在拟临界区内流体物性随温度变化而剧烈变化。在拟临界区，巨大的密度差可为闭合系统的自然循环运行工况提供强驱动力，而比热容存在的巨大峰则可在流量一定的条件下为冷却剂提供巨大的载热能力，因而，拟临界区流体密度的巨变及比热容的巨大峰值为以超临界流体为工质的闭合系统提供了强自然循环能力的巨大潜力。系统稳态自然循环流量的大小是表征系统自然循环能力的重要参数之一，对系统稳态自然循环流量的准确预测有助于评估系统的自然循环能力。

2 数学模型

对于稳态自然循环，由于回路系统闭合，流体从回路内某一点出发沿流动方向回到该点产生的总压降为零，自然循环的驱动力与总阻力平衡，也就是由冷热流体间的密度差导致的重位差与回路内流体总阻力平衡。若驱动力增大，循环流量增大，回路内流速增大，总阻力增大，反过来限制流量的增加直至驱动力与阻力平衡；若驱动力减小，则发生相反的过程实现驱动力与阻力平衡，使自然循环恢复稳态。基于以上思想，在模拟计算中通过循环迭代实现回路系统内的压降平衡可得到一定工况下的稳态自然循环流量。由于温度、压力、系统阻力等因素通过影响流体物性、系统阻力特性等影响稳态自然循环流量，可以在循环迭代过程中引入变量改变流体物性及阻力特性实现稳态自然循环参数影响规律的模拟研究。

5 结 论

以简单矩形回路为对象，给出了基于稳态条件下自然循环系统内的驱动力与阻力平衡的原则预测回路内超临界水稳态自然循环流量的一种方法，并将预测结果与实验值进行了对比，可以得出以下结论：

基于稳态条件下自然循环系统内的驱动力与阻力平衡的原则，通过对自然循环系统进行合理简化，并采用适当的可用于超临界条件下的压降关系式，进行系统自然循环流量与压降之间的迭代计算，可以对自然循环系统的稳态自然循环流量进行预测，所选压降关系式在亚临界条件下的计算结果与实验结果符合较好，在超临界条件下的稳态自然循环流量计算结果较实验值偏小。这一系统稳态自然循环特性预测方法的预测结果的准确性取决于所选压降关系式在相应条件下的适应性，因而这一方法在一定程度上也可校验压降关系式在超临界条件下的适应性。

参考文献

[1] Vijay Chatoorgoon. Stability of supercritical fluid flow in a single-channel natural-convection loop[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44：1963-1972.

[2] Manish Sharma，D.S. Pilkhwal，P.K. Vijayan，D. Saha，R.K. Sinha. Steady state and linear stability analysis of a supercritical water natural circulation loop[J]. Nuclear Engineering and Design，2010，240：588–597.

[3] N.M. Rao，Ch. Chandra Sekhar，B. Maiti，P.K. Das. Steady-state performance of a two-phase natural circulation loop[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2006，33：1042–1052.

[4] Igor L. Pioro，Romney B. Duffey，Tyler J. Dumouchel. Hydraulic Resistance of Fluids Flowing in Channels at Supercritical Pressures（Survey）[J]. 2004，231：187-197.

作者簡介：吕发（1986-），男，工程师。2018年毕业于中国核动力研究设计院核能科学与工程专业，获博士学位。现主要从事反应堆热工水力研究。

何祖娟（1983-），女，助理研究员。2011年毕业于哈尔滨工程大学材料物理与化学专业，获学士学位。现主要从事反应堆燃料及材料研究。

徐海波（1987-），男，工程师。2012年毕业于中国核动力研究设计院核能科学与工程专业，获学士学位。现主要从事反应堆总体技术研究。