反应堆热工第三章-1

1、2021-6-22核科学与技术学院1 反应堆热工水力学 王建军 wang- 045182569655 2021-6-22核科学与技术学院2 反应堆内热量的输出过程 一、堆内导热过程一、堆内导热过程 有有内热源圆柱型元件内热源圆柱型元件 有内热源板状元件有内热源板状元件 无无内热源圆筒壁内热源圆筒壁 无内热源板状元件无内热源板状元件 二、堆内对流换热二、堆内对流换热 强制对流强制对流 2021-6-22核科学与技术学院3 二、堆内对流换热二、堆内对流换热 自然对流换热自然对流换热 沸腾换热沸腾换热 三、堆内输热过程三、堆内输热过程 2021-6-22核科学与技术学院4 一、堆内导热过程（1） 1

2、）导热微分方程的导出（略）导热微分方程的导出（略） 2 tk t cc 2 0( k t cc 泊松方程） 2 0( k t c 拉普拉斯方程） 2021-6-22核科学与技术学院5 一、堆内导热过程（2） 2）具有内热源导热问题（圆柱型燃料棒）具有内热源导热问题（圆柱型燃料棒） 2 0( k t cc 泊松方程） 两种求解方法，注意边界条件 2 0t k 2 2 t1 0 ddt drr drk 燃料元件内温度分布 2 0 4 v u q ttr k 燃料芯块内外表面温差 2 0 4 v uu u q ttr k 2021-6-22核科学与技术学院6 一、堆内导热过程（3） 燃料芯块能量守恒

3、关系燃料芯块能量守恒关系 v Qq dV QqdF l Qq dl 2 vu Qqr dl 2 u Qqr dl l Qq dl 2 2 luvu qr qqr 燃料元件又如何表示？ 2021-6-22核科学与技术学院7 一、堆内导热过程（4） 均匀内热源平板形燃料元件均匀内热源平板形燃料元件 2 0t k 积分两次，边界条件 2 0 2 v u q ttx k 2 0 2 v uu u q tt k vu qdAqdA 对平板形元件 vu qq 2 0 22 vu uu uu qq tt kk 2021-6-22核科学与技术学院8 一、堆内导热过程（5） 3）无内热源稳态导热问题）无内热源稳

4、态导热问题 2 0( k t c 拉普拉斯方程） ( c dt kq dx 傅里叶定律） 对平板形包壳 u c q ttx K ucsc c q tt K 对圆筒壁包壳 ( c dt k FQ dr 傅里叶定律） ln 2 u u c rQ tt K Lr ln 2 u ucs ccs rQ tt K Lr ln 2 lcx ucs cu qd tt Kd 2021-6-22核科学与技术学院9 二、堆内的对流换热过程（1） 牛顿加热或冷却公式 f QhF 沿燃料元件径向方向 ( )( )( )( ) f Q zh z dF zz ( )( )( ) csf Q zh zd dzz 对圆柱形燃料

5、元件 ( )( )( )( ) ( )( ) lcsfcsf q zh zdzh ztztz 温差=？ 对流换热系数？ 2021-6-22核科学与技术学院10 二、堆内的对流换热过程（2） 1、强迫对流换热、强迫对流换热 影响因素：工质性质、流动性质以及管道结构影响因素：工质性质、流动性质以及管道结构 计算管内对流放热系数的主要方法计算管内对流放热系数的主要方法 Dittus-Boelter方法方法 Sieder-Tate方法方法 2021-6-22核科学与技术学院11 二、堆内的对流换热过程（3） D-B公式公式 0.80.4 0.023RePrNu L Nu k 适用条件 1 1、流态限制

6、、流态限制 2 2、物性限制、物性限制 3 3、流体被加热、流体被加热 4 4、较低温压、较低温压 5 5、无须考虑入口效应、无须考虑入口效应 Sieder-Tate公式公式 0.140.14 w w f f 3 3 1 1 0.80.8 ) ) ( (PrPr0.027Re0.027ReNuNu 1 1、ReRe要求：要求：10104 4 2 2、物性限制：、物性限制：Pr=0.7Pr=0.7 3 3、定性温度、定性温度 4 4、无须考虑入口效应、无须考虑入口效应 2021-6-22核科学与技术学院12 二、堆内的对流换热过程（4） 棒束流道内对流换热（水纵向流过平行棒束）棒束流道内对流换热

7、（水纵向流过平行棒束） 0.81/3 RePrNuC 0.0420.024 P C d 威斯曼方法 其中常数C与栅格结构有关 0.0260.006 P C d 正方形栅格：1.1P/d1.3 三角形栅格：1.1P/d1.5 2021-6-22核科学与技术学院13 二、堆内的对流换热过程（5） 棒束流道内对流换热（水纵向流过平行棒束）棒束流道内对流换热（水纵向流过平行棒束） 0.81/3 RePrNuC 0.03330.0127 w wf A C AA 无限栅格方法 2021-6-22核科学与技术学院14 二、堆内的对流换热过程（6） 2、自然对流换热、自然对流换热 自然对流自然对流：由于流体内

8、部：由于流体内部密度梯度密度梯度引起流体的引起流体的 流动流动 自然循环自然循环：闭合回路内由于流体密度沿空间分：闭合回路内由于流体密度沿空间分 布形成的驱动压头驱动所实现的流动布形成的驱动压头驱动所实现的流动 通常情况下，通常情况下，引起自然对流或形成自然对流的引起自然对流或形成自然对流的 原因在于原因在于流体温度流体温度沿空间上沿空间上不均匀不均匀 2021-6-22核科学与技术学院15 二、堆内的对流换热过程（7） 影响对流换热的特性的因素：影响对流换热的特性的因素： (Re,Pr)NufGr 2 1 Re Gr (Re,Pr)Nuf 2 1 Re Gr (,Pr)Nuf Gr 2 1

9、Re Gr 3 2 gtl Gr 2021-6-22核科学与技术学院16 二、堆内的对流换热过程（7） 自然对流放热系数计算方法自然对流放热系数计算方法 基于实验的经验半经验关系式基于实验的经验半经验关系式 竖壁定热流-霍尔曼方法 34 * 22 xxx gtx hxg qx GrGr Nu kk 5*11 1010 x Gr *1/5 0.60(Pr) xx NuGr 13*16 2 1010 x Gr *1/4 0.17(Pr) xx NuGr 2021-6-22核科学与技术学院17 二、堆内的对流换热过程（8） 竖壁定热流-米海耶夫方法 39 , 10Pr10 () x fff GrRa

10、 0.250.25 , Pr 0.60(Pr)() Pr f x fx w NuGr 10 , 6 10Pr x ff Gr 1/30.25 , Pr 0.15(Pr)() Pr f x fx w NuGr 2021-6-22核科学与技术学院18 二、堆内的对流换热过程（9） 横管自然对流平均放热系数横管自然对流平均放热系数 横管自然对流-米海耶夫方法 8 Pr10 d f Gr 0.25 0.25 , Pr 0.50(Pr) Pr f d fdf w NuGr 2021-6-22核科学与技术学院19 二、堆内的对流换热过程（9） 3、沸腾放热、沸腾放热 n现代压水反应堆现代压水反应堆设计考虑

11、设计考虑 p平均通道平均通道 p热通道热通道 n在现代压水反应堆设计中允许在现代压水反应堆设计中允许堆内堆内出出 现现沸腾工况（饱和、欠热）沸腾工况（饱和、欠热） n沸腾工况的出现对反应堆的影响沸腾工况的出现对反应堆的影响 2021-6-22核科学与技术学院20 二、堆内的对流换热过程（10） 沸腾型式沸腾型式 流动沸腾流动沸腾 大容积沸腾大容积沸腾 沸腾状态沸腾状态 饱和沸腾饱和沸腾 过冷沸腾过冷沸腾 高、低欠热沸腾高、低欠热沸腾 2021-6-22核科学与技术学院21 二、堆内的对流换热过程（11） 沸腾曲线沸腾曲线 特征点：特征点： ONB FDB D（CHF） 2021-6-22核科学

12、与技术学院22 二、堆内的对流换热过程（12） 2021-6-22核科学与技术学院23 二、堆内的对流换热过程（13） nAB段段 p不沸腾区（单相区）不沸腾区（单相区） nBC段段 p核态沸腾区核态沸腾区 nD点点 pDNB点或第一类点或第一类CHF点点 nDE段段 p过渡沸腾区过渡沸腾区 nEF段段 p膜态沸腾区膜态沸腾区 2021-6-22核科学与技术学院24 二、堆内的对流换热过程（14） 2、流动沸腾、流动沸腾 2021-6-22核科学与技术学院25 二、堆内的对流换热过程（15） 泡核沸腾传热计算泡核沸腾传热计算 詹斯詹斯-罗特斯（罗特斯（Jens-Lottes）关系式）关系式 汤

13、姆（汤姆（Thom）关系）关系 卡特莱纳卡特莱纳-鲍尼拉（鲍尼拉（Castellana-Bonilla）关系式）关系式 60.25 6.2 25(/10 ) p cs TTqe 0.75 2.5() tp tt ) 69. 8 ( 5 . 0 0225. 0 p sw eqTT 2021-6-22核科学与技术学院26 我国和前苏联水力计算方法我国和前苏联水力计算方法 1.5 2 9 2 0.7 1 7.0 10 fh ch w r q 2 2 0.7 dxch 0.11 0.80.4 0.023RePr nb dx d 0.1420.7 4.3450.01375 ch ppq 2021-6-2

14、2核科学与技术学院27 Chen方法方法 其中分别采用其中分别采用D-B，Foster-Zuber方法计算两项方法计算两项 换热系数换热系数 tpNCBc hhh 0.8 Re Re tp f F 0.99 e s T S T 2021-6-22核科学与技术学院28 二、堆内的对流换热过程（18） 沸腾通道中的沸腾通道中的ONB点（成核条件）点（成核条件） 力学条件力学条件 热力学条件热力学条件 2021-6-22核科学与技术学院29 二、堆内的对流换热过程（19） 流动沸腾发展流动沸腾发展 液体温度液体温度 壁面温度壁面温度 流动型式流动型式 空泡份额空泡份额 2021-6-22核科学与技术

15、学院30 二、堆内的对流换热过程（20） 沸腾过程中特征点的确定方法沸腾过程中特征点的确定方法 ONB点 FDB点 （或NVG点） 对应于高欠热沸腾对应于低欠热沸腾 2021-6-22核科学与技术学院31 二、堆内的对流换热过程（21） ONB点确定办法 泡化方程-（Bergles&Rohsenow Correlation） 0.0234 2.828 31.156 9 1.798 10() 5 p ONBWS qptt 传热方程 ONBwf qqh tt ,f ONBsJL q tt h 60.25 6.2 25(/10 ) p cs TTqe 詹斯-罗特斯（Jens-Lottes）关系式 2

16、021-6-22核科学与技术学院32 二、堆内的对流换热过程（22） ONB点确定办法 输热方程-圆形管道 , () hONBinpf ONBf in qP ZZGC A tt ,pf ONBf in ONBin h GC A tt ZZ qP 或者， ,pf ONBf in ONB h GC A tt Z qP 2021-6-22核科学与技术学院33 二、堆内的对流换热过程（23） FDB点或者点或者NVG点确定点确定 Saha-Zuber方法 , () fsatf FDB qD Nu ktt , () pfsatf FDB q St GCtt pf f GDC Nu Pe kSt 2021-6-22核科学与技术学院34 二、堆内的对流换热过程（24） 沸腾临界是指由于沸腾机理发生变化引起放 热系数的陡降，导致受热面的温度急剧升高 的现象 刚刚达到沸腾临界时的热流密度称为临界热 流密度或临界热负荷 DNB或DRYOUT型 2021-6-22核科学与技术学院35 影响临界热负荷的因素 1）冷却剂质量流密度的影响）冷却剂质量流密度的影响 2）含气率）含气率x的影响的影响 3）冷却剂压力的影响）冷却剂压力的影响 4）入口欠热度的影响）入口欠热度的影响 5）通道入口段长度）通道入口