第六讲-流体力学分析

稳态工况下堆内流体力学分析流体的特征和主要物理性质所谓流体主要指液体和气体。流体是由无限多个质点所组成的连续介质，它不间断地充满其空间。因此，流体的流动是由充满整个流动空间的无限多个流体质点的运动所构成的。充满运动着的流体空间称为流场，表征流体运动的物理量，如速度、压力、密度等称为流体运动参量。这些运动参量一般是空间位置和时间的函数。如果它们与时间无关，则称此流动为稳态流动（或称定常流动），反之为瞬态流动（或称非定常流动）。

流体的显著特征是具有流动性和变形性，不能抵抗拉伸力和剪切力的作用，只能承受压缩力的作用。流体的特征和主要物理性质(续）液体和气体的主要区别是：（1）液体有自由表面，气体无自由表面；（2）液体具有一定的体积，其形状被所在的容器的轮廓所限定。一般情况下，液体可以看作不可压缩流体。气体可以充满其所占有的全部空间无明显的外廓形状，气体被认为是可压缩流体；（3）液体的粘性比气体大，并随温度升高而降低，气体的粘性则随温度的升高而增大。作用在流体上的力静止流体中的应力特征流体静力学基本方程流体静力学基本方程单相流体一维流动的压降计算通道中的一维流动示意图

动量守恒方程单相流体一维流动的压降计算(续）单相流体一维流动的压降计算（续）单相流动的压降计算单相流动压降计算(续）（1）等温流动的摩擦因子（2）非等温流动的摩擦因子前面介绍的计算摩擦因子公式只能适用于等温流动，即在流体流动中通道横截面上各点的流体温度都保持一致且沿程不变。但在有热交换的地方（如反应堆堆芯和蒸汽发生器），流体被加热或被冷却。在这种情况下，流体的温度不仅沿横截面上改变，而且沿流程也发生变化，这就是非等温流动。随着热量的传递，在紧贴通道壁面的边界层内出现了很大的温度梯度。在流体被加热时，靠近壁面处的温度比主流体温度高，对于水其粘度变小，对于蒸汽其粘度变大；当流体被冷却时，情况恰好相反。（2）非等温流动的摩擦因子(续）（2）非等温流动的摩擦因子(续）加速度压降计算形阻压降计算临界流动现象这种使出口流量保持在最大值的流动叫做临界流动，其最大流量称为临界流量mc。当降低而保持不变时，在与之间的流体就在通道外面自由扩张，并呈抛物线形状。图5.6—1

临界流现象临界流动现象临界流动现象临界流动现象在单相流和两相流（两相流也是可压缩流体）中都可能发生，它不仅发生在管道断裂的破口处，而且也可能发生在破口上游的某截面上，只要那里的流体速度足够高。临界流动在反应堆事故分析中十分重要。在水冷反应堆一回路系统中，充满着高温高压的冷却水。当回路管道发生破裂时，冷却水从破口喷出，回路迅速卸压，回路内的高温水急剧汽化，形成汽—液两相流，破口一般处于两相临界流动状态，破口排放流量达到临界流量。破口流量决定了冷却剂的丧失速率和一回路卸压速率，从而影响到堆芯冷却能力和应急堆芯冷却系统的设计。单相流体的临界流动气（汽）—液逆向流动现象气（汽）相和液相的流动方向相反的两相流叫气（汽）—液逆向流动。例如，在压水堆一回路管道发生大破口失水事故过程中，应急冷却水注向压力容器下行通道（Downcomer）时，会与从堆芯及下腔室冒出来的蒸汽相遇，即冷却水向下流而蒸汽向上流，这就形成垂直汽—液逆向流动；在压水堆一回路系统发生小破口失水事故过程中，当自然循环中断时，在蒸汽发生器传热管内蒸汽冷凝而成的凝结水通过主管道的水平段返回堆芯的途中，遇到流往蒸汽发生器的蒸汽，就形成水平汽—液逆向流动。气（汽）—液逆向流动现象(1)稳定的气-液逆向流动，分界面光滑；（2）达到溢流速度，液膜不稳定，气体中夹带有液滴，形成少许液膜；（3）向上的爬膜和向下的落膜同时存在；（4）液体全部被带到注入点上方，向下输送的液体流量为零。垂直气液逆向流动中的阻液和流动反转气（汽）—液逆向流动现象图5—17

垂直气液逆向流动中的阻液和流动反转气（汽）—液逆向流动的流量制约关系气（汽）—液逆向流动的流量制约关系水锤现象流体速度的突然改变会引起巨大的压力变化，可以把这种压力变化看作一种压力波，跨越这种压力波的压力和速度是不连续的。压力波可能是一种压缩波（高压在波前之后），也可能是一种稀疏波（低压在波前之后），它们相对于流体以声速推进。突然关闭流体正在流动的管道中的阀门，一个高压管道系统的破裂（例如冷却剂丧失事故），或者由于反应堆功率的偏移导致蒸汽的猝发，都有可能产生压力波。蒸汽的猝发给出了动能，当流动受到阻碍时，动能便转变为压力脉冲。这种普遍性的压力波和其传播通常称为水锤。因为压力波的振荡会对管道和设备造成冲击，类似“锤子”对它们的敲打，故称“水锤”。水锤现象（续）截止阀突然关闭而形成水锤的过程如下：（1）管道中单相流体的流动：截止阀突然关闭，使阀门附近的流体的速度突然降到零，而阀门上游的流体由于惯性继续以原来的速度速向前流动，从而对阀门附近的流体造成压缩形成高压区。流体由原来压力变成高压的这种变化形成压力波，并以声速不断向上游传播，从而又造成上游压力高，阀门附近压力低。如此反复振荡形成“水锤”。（2）管道中汽－液两相流动：基本上与单相流动相似。但是，由于汽泡的消失和重新形成，会造成的压力振荡的幅度更大。在第一次形成高压区时，压力的升高使汽－液两相流过冷，从而使蒸汽泡快速凝结成水而使汽泡突然消失，使上游的两相流体加速向阀门附近流动而压缩，又造成更多的汽泡消失或破裂。当反向增压时，使另一方向的汽泡压缩而破裂消失，而阀门附近的汽－液两相流因减压而使液体过热，使部分液体“闪蒸”，重新形成汽泡。由于压力减到比原来均衡流动压力更低，新汽泡比原来的汽泡更多更大，因而这时反复振荡形成的压力波波幅更大，更具破坏力。水锤现象（续）水锤现象（续）水锤现象（续）流动不稳定性在加热的流动系统中，如果流体发生相变即出现汽—液两相流动，流体不均匀的体积变化可能导致流动不稳定。在反应堆堆芯、蒸汽发生器以及其它存在汽—液两相流的设备中一般都不允许出现流动不稳定性，其主要原因是：流动振荡会使部件产生有害的机械振动，而持续的流动振荡会导致部件的疲劳破坏；流动振荡干扰控制系统。在压水堆中由于冷却剂同时兼作慢化剂，所以这个问题尤其重要；流动振荡会使部件的局部热应力产生周期性的变化，从而导致部件的热疲劳破坏；流动振荡会使系统内的传热性能变坏，使临界热流密度大幅度下降，造成沸腾危机的过早出现。实验证明，当出现流动振荡时，临界热流密度的数值会降低40%之多。自然循环自然循环是指在闭合回路内依靠冷段（向下流）和热段（向上流）中的流体密度差在重力作用下所产生的驱动压头来推动的流动循环。核能系统同采用常规燃料的动力系统的主要区别之一是它需要排出衰变热。在第二章介绍过，停堆后继续释放的衰变功率可高达几十兆瓦。因此停堆以后还必须对反应堆继续冷却，以便带走这些热量。虽然可以通过多种方式进行停堆后的冷却，但是自然循环能够提供固有的而且是安全可靠的冷却过程。如果堆芯结构和回路布置设计的合理，就能够利用自然循环的驱动压头推动冷却剂在一回路中循环而不需要任何动力源，这对核电厂失去厂外电源而应急电源又不能及时启动时尤为重要。无论是单相流系统还是两相流系统，产生自然循环的原理都是相同的。自然循环（续）自然循环（续）自然循环（续）自然循环（续）图5—19反应堆一回路简化流程

自然循环（续）自然循环（续）由式（5—126）可以得出建立自然循环（即产生驱动压头）的必要条件是：（1）系统必须在重力场内；（2）系统中必须有热阱（即热交换器）和热源（堆芯）之间的高度差（热阱在上，热源在下）；（3）系统中的流体密度必须存在密度差。自然循环（续）自然循环（续）自然循环（续）自然循环（续）自然循环有时会中断。如果堆芯中产生了蒸汽，并积存