22314字硕士毕业论文反应器设备零件的流动阻力试验及数值研究

介绍

1.1研究背景和意义

反应堆冷却剂系统，也称为主回路系统。反应堆系统中核裂变释放的热能被转化为高温饱和蒸汽，蒸汽被输送到汽轮机发电机组中转化为电能。给出了AP1000反应堆冷却剂系统回路示意图。AP1000反应堆冷却剂系统由两个回路组成，每个回路包括一个蒸汽发生器、两个反应堆冷却剂泵、一个主冷却剂管热管段和两个冷却管段，它们一起形成反应堆冷却剂的闭环。反应堆冷却剂在反应堆冷却剂泵的驱动下流经燃料组件，吸收核裂变产生的热能，流出反应堆，进入蒸汽发生器，并将热量传递给二次回路中的水。来自蒸汽发生器的主冷却剂被待加热的反应堆冷却剂泵回反应堆，并且重复该过程以连续进行能量转换。一回路系统压降的准确计算是确定堆芯设备主泵压头的基础。在引进西屋公司第三代反应堆技术AP1000并在此基础上开发具有自主知识产权的新型反应堆的过程中，有必要准确预测冷却剂流经各种部件所造成的压降，有必要对一回路系统中复杂结构的流动阻力进行实验测量。AP1000反应堆冷却剂在反应堆压力容器和堆内构件中的流动路径由确定。

在反应堆运行期间，起重机油缸引导从反应堆压力容器的入口连接管流入的冷却剂流过下降段的环形腔并进入下腔。混合后，冷却剂改变其流动方向，向上流过反应堆堆芯的下支撑板，进入反应堆堆芯。冷却剂离开堆芯后，流过堆芯上板，然后流过控制棒导向筒和支柱，流出出口连接管。下支撑板是压力容器中的复杂结构，因此有必要通过实验准确获得其流动阻力系数。通过可视化流过堆芯下支撑板局部模型的流场，为流动阻力分析和计算流体动力学数值模拟提供实验依据。蒸汽发生器是压水堆核电站的重要设备。它由下封头、管板、U形管束、汽水分离器和筒体组件组成。

来自反应堆的高温冷却剂通过入口连接管进入入口水室，然后进入U形管束。当流经传热管时，它将热量传递到二次侧，冷却剂通过出水室离开蒸汽发生器。蒸汽发生器的入口和出口喷嘴为“突然膨胀”和“突然收缩”结构。当主冷却剂流过入口和出口喷嘴时，存在一定的局部压降。目前，我国引进的新型压水堆蒸汽发生器的结构因屏蔽泵的使用而发生了很大变化。原蒸汽发生器的结构已由一进一出结构改为一进二出结构，进、出口喷嘴均为异形部件，因此有必要进行实验和数值分析来确定其流动阻力。随着计算机技术的发展和计算流体力学数值模拟方法的逐渐成熟，计算流体力学数值模拟方法在反应堆工程设计过程中发挥着重要作用。根据本文的研究需要，分别采用计算流体力学数值模拟方法计算试验模型。与试验结果相比较，最终形成了一套适用于计算反应器一回路系统流动阻力的数值模拟方法。

1.2国内外相关研究综述

管道内流体流动造成的能量损失不仅是沿延伸方向的能量损失，也是局部管段发生的局部能量损失。局部能量损失主要是由于通道部分的局部能量损失和局部管道部分的流动方向造成的。局部能量损失主要是由流动截面和流动方向的快速变化引起的，这导致速度场的快速变化，增加了流体之间的摩擦、碰撞和涡流形成。局部损失的计算简化为求解局部损失系数k(即形式阻力系数)的问题。在过去的很长一段时间里，人们进行了大量的实验研究，在求解突扩收缩结构的形状阻力系数方面取得了很大的进展。迄今为止，国内外文献推荐了许多计算形状阻力系数的公式。这些形式阻力系数公式是基于各种试验数据的纯理论或纯经验公式，但它们都有一定的适用参数范围。当它突然膨胀时，在宽截面管道中形成射流。射流通过界面与介质的其余部分分离，并分散和涡旋成一个强涡流。

涡流在大约(8-12)D2R(D2R-宽截面水力直径)的管段长度上形成，涡流逐渐消失，流速延伸到整个截面。突然膨胀期间的冲击损失与l2管段上显示的涡流形成有关。安装导流叶片可大大降低管段突然膨胀的阻力，在导流叶片合理布置的情况下，损失可减少35-40%。文件[3]指出，在狭窄部分之后立即安装“袋室”也可以显著降低突然扩大的管道部分的阻力系数。原理是:对于扁平管，在“袋腔”中形成两个稳定的涡流。对于圆形截面的管道，在“袋腔”中形成稳定的涡环。漩涡形成了一个独特的“泵”。《实用流体阻力手册》(Practical Fluid Resistance Manual)还指出，当横截面突然收缩时，基本上会出现类似于横截面突然膨胀造成的冲击损失的现象。这种损失主要是在压缩流速从宽截面进入窄截面时扩展到整个截面时实现的。同时指出，当采用曲母线或直母线的导管实现宽截面向窄截面的平滑过渡时，收缩管截面的阻力可以大大减小。2000年，门鲍辉通过管道界面突然膨胀的试验，指出传统公式中局部阻力系数的计算并不随流速而改变，并指出局部阻力系数与流速变化之间的关系。通过将实测断面尺寸数据与理论计算和数据处理相结合，建立了突扩结构的流速与形状阻力系数之间的关系，[5】。

2002年，丁沈洵计算了立式蒸汽发生器一次侧的水阻力，分别介绍了立式蒸汽发生器一次侧水阻力的计算方法，讨论了摩擦阻力系数和局部阻力系数，计算了秦山一次蒸汽发生器一次侧的水阻力，并与电厂在线测量值进行了比较。根据大亚湾核电站蒸汽发生器一次侧水阻力的实测值，得到了形式阻力系数[6]。

第二章实验研究和方法..............................9

2.1测试系统……9

2.2试验体和布置……12

2.3测试参数……24

2.4测试方法...................25

2.5数据处理方法……25

2.6本章总结..............................29

第三章测试结果与分析……30

3.1堆芯下支撑板……30

3.2蒸汽发生器入口和出口喷嘴……38

3.3测试数据的不确定度分析……43

3.4本章总结……47

第四章堆芯下支撑板流场可视化测试与分析...................50

4.1测试系统……50

4.2测试主体和布局..............................50

4.3测试参数……53

结论

主要研究了燃料组件箱对应的下支撑板局部模型的流动阻力特性，得到了反应堆堆芯下支撑板在两种不同入口形式下的流动阻力特性，并找出了不同入口条件对流动阻力的影响；通过增加燃料组件的下管座(以下称为“下管座”)，研究了下管座对下支撑板流动阻力的影响，并阐明了当两个阻力构件紧密串联时总阻力和单个阻力之间的关系。通过对蒸汽发生器入口喷嘴和出口喷嘴10:1缩尺模型流动阻力特性的实验研究，分别得到入口喷嘴和出口喷嘴的流动阻力系数。通过添加模拟管板，研究了模拟管板对进出口喷嘴流动阻力的影响。堆芯下支撑板的目测试验为流场分析提供了实验依据。通过对堆芯下支撑板和蒸汽发生器进出口喷嘴的数值模拟，得到了流动阻力系数，并与试验结果进行了比较。

将堆芯下支撑板的流场信息与目视试验结果进行比较。研究了入口喷嘴角度和出口喷嘴压差对蒸汽发生器流动阻力和流量的影响，并进行了数值模拟。蒸汽发生器的入口和出口喷嘴与模拟管板串联后，与安装模拟管板前相比，由入口喷嘴入口水室截面差压计测得的流阻系数K下降3.8%至0.79。与安装模拟管板之前相比，由出口喷嘴的出口水室部分的差压计测量的流动阻力系数K减小了9.1%至0.20。模拟管板对进出口喷嘴的流动阻力测量有很大影响。管板在实际测量过程中的影响不容忽视。

参考

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[2]华绍增等编，《实用流体阻力手册》，国防工业出版社，1985年第1版。

[3]林瑞波t .扩散器中具有立涡的二维流动，南，1960，N 4，第130-135页。

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丁许慎。立式蒸汽发生器一次侧水阻力的计算[[]。核电工程与技术，2002: 16-21。

杨胜、罗玉山、王海军、陈廷宽。反应堆冷却剂系统喷嘴中射流的可视化[。电力工程，2007: 223-226。

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[9]马萨诸塞州帕德马纳班，马萨诸塞州莱克莱尔，加利福尼亚州钱德拉，加利福尼亚州格罗达尔，http://sblunwen.com/sbgclw/1992.

[10]哈达玛卡尔、帕特瓦尔丹、帕德马库马、瓦伊迪亚纳森。蒸汽发生器进气增压室中的流量分布，核工程与设计。2011，241:4165–4180。