熔融物与冷却剂相互作用过程粗混合阶段的数值模拟分析
发布时间：2020-11-16 12:21
高温的熔融物与冷却剂相互作用(FCI,Fuel Coolant Interaction)会引起蒸汽爆炸现象。在核电厂发生堆芯熔化的严重事故时,处于高温的堆芯熔融物会与容器内的冷却剂相互作用,发生蒸汽爆炸,产生巨大压力,对周围的系统及工作环境带来严重的破坏。因此,熔融物与冷却剂相互作用过程是核能方面研究的重点。熔融物与冷却剂相互作用过程一般分为粗混合、触发、压力传播和膨胀四个阶段。在粗混合阶段,熔融物液柱碎化成熔融物液滴,增大了熔融物与冷却剂的接触面积,强化了熔融物与冷却剂之间的传热,对后续的三个阶段影响很大。因此,本文结合上海交通大学开发的METRIC程序的粗混合模块,对熔融物与冷却剂相互作用过程的粗混合阶段进行数值模拟研究,开展了如下工作:(1)本文结合典型的FCI粗混合实验中的K-32与K-38实验,对新开发的METRIC程序的粗混合模块进行了合理性验证。通过比较模拟与实验中冷却剂液位的膨胀高度及熔融物液柱的入水深度及FCI过程中熔融物液柱碎化过程、熔融物液滴及蒸汽的分布等现象,认为METRIC程序能够比较合理的模拟熔融物与冷却剂相互作用的粗混合阶段;(2)本文对FCI粗混合阶段数值计算的主要数学模型进行了研究:熔融物液柱碎化模型中,生成熔滴的初始直径影响FCI的传热过程,计算时需根据实际情况合理选择熔滴的初始直径;熔融物液柱碎化的Saito模型与Meignen模型的计算结果基本一致;熔融物液滴的粗碎化过程对冷却剂的蒸发影响很大,从而影响后续的蒸汽爆炸阶段;对传热模型分析认为对流换热在熔融物与冷却剂相互作用的粗混合阶段起主导作用,液柱传热过程对总的冷却剂蒸发量及液柱的碎化影响非常小;(3)本文还研究了初始条件对粗混合现象的影响,分别选择熔融物液柱直径、熔融物入水的速度及初始冷却剂温度等初始工况为变量,并选择典型的堆外发生FCI过程进行模拟,分析认为:熔融物液柱的直径越大,其碎化的速率越快,产生的蒸汽量也相对较多;熔融物入水的速度越大,其与冷却剂的相对速度也越大,在不稳定波的作用下熔融物碎化的速率也相对较大;冷却剂的过冷度越小,熔融物液柱在冷却剂内下落的速度相对较快。本文结合新开发的METRIC程序对FCI粗混合阶段进行了数值模拟分析,分析了程序的合理性,对主要的数学模型进行分析,并研究了初始条件对粗混合作用的影响,为对FCI过程的研究提供一定的参考。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM623
【部分图文】：
１．１研究背景??核电厂发生堆芯熔化的严重事故时，有可能在堆内或堆外发生蒸汽爆炸现象，如??图１－１所示ｍ。蒸汽爆炸的过程中会有强大的压力波产生，对周围的系统形成毁灭性??的破坏，从而给整个反应系统及工作环境带来严重的安全隐患，核能利用方面发生过??多起蒸汽爆炸事故是由于熔融状态下的燃料与冷却剂直接接触引发的Ｗ。切尔诺贝利??核电站发生的严重事故中，大量的放射性物质被释放到周围环境就是由蒸汽爆炸导致??的，给人类及自然环境带来严重的威胁Ｗ。??ｎ?ｉｐｉｉ??■■■■■■■Ｉ?ｐ?Ｉ?ｐ??＼Ｊ?ｆ?Ｉ?１１??（ａ）堆内蒸汽爆炸?（ｂ）堆外蒸汽爆炸??图１－１蒸汽爆炸现象ｍ??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｓｔｅａｍ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ??高温的培融物与低温的冷却剂相互接触（ＦＣＩ，Ｆｕｅｌ?Ｃｏｏｌａｎｔ?Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）时，在水??力学与热力学的作用下熔融物会碎化成小液滴，增加了熔融物的表面积，其与冷却剂??的接触面积也随之增大，加剧了熔融物与冷却剂之间的热量传递，冷却剂将会发生剧??１??
Ｂｏａｒｄ和Ｈａｌｌ［７，８］通过对熔融物与冷却剂相互作用过程进行实验分析，认为ＦＣＩ过??程分为粗混合（Ｐｒｅｍｉｘｉｎｇ）、触发（Ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ）、压力传播（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）和膨胀??（Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）四个阶段，如图１－２所示。粗混合过程比较平缓，作用过程可以以秒的??量级进行，然而后面三个阶段作用过程比较急促，时间比较短暂，因此通常将后三个??阶段合起来称为爆炸阶段，即将熔融物与冷却剂相互作用过程分为粗混合阶段与爆炸??阶段［９，１０］。??調??丨调關??ａ、粗混合?ｂ、触发?ｃ、压力传播?ｄ、膨胀??图１－２ＦＣＩ过程的四个阶段示意图［ｎ］??Ｆｉｇ．?１－２?Ｆｏｕｒ?ｓｔａｇｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ?ｏｆ?ＦＣＩ??在ＦＣＩ粗混合阶段，高温的熔融物液柱与低温冷却剂直接接触时，由于水力学作??用将会发生碎化，形成熔融物液滴。在膜态沸腾传热的作用下，熔融物被形成的蒸汽??膜包围，使熔融物与水间传热受到阻碍，持续的时间可以以秒为量级，称之为粗混合??阶段。在此阶段由于流动的马赫数相对比较低，可以近似地认为此过程为一个不可压??缩的过程
另外，基于熔融物液滴表面气膜不稳定性，科研工作者们也建立了一些研宄熔??融物粗碎化过程的模型，例如：Ｐａｐｕｃｃｕｏｇｌｕ模型［３９］、Ｋｉｍ模型［４Ｑ］以及Ｃｉｃｃｏａｒｅｌｌｉ模??型［４°］等。Ｐａｔｅｌ也在气膜界面Ｒ－Ｔ不稳定性的基础上，提出了如图１－３所示的边界剥离、??波峰剥离及穿透碎化三种熔融物粗碎化的情况［４１］。??＝０１?二二參二？??（ａ）边界剥离?（ｂ）波峰剥离?（ｃ）穿透碎化??图１－３熔融物液滴碎化三种情况［４１］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｒｅｅ?ｃａｓｅｓ?ｏｆ?ｄｒｏｐｌｅｔ?ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｆｕｅｌ??６??
【参考文献】
本文编号：2886222
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM623
【部分图文】：
１．１研究背景??核电厂发生堆芯熔化的严重事故时，有可能在堆内或堆外发生蒸汽爆炸现象，如??图１－１所示ｍ。蒸汽爆炸的过程中会有强大的压力波产生，对周围的系统形成毁灭性??的破坏，从而给整个反应系统及工作环境带来严重的安全隐患，核能利用方面发生过??多起蒸汽爆炸事故是由于熔融状态下的燃料与冷却剂直接接触引发的Ｗ。切尔诺贝利??核电站发生的严重事故中，大量的放射性物质被释放到周围环境就是由蒸汽爆炸导致??的，给人类及自然环境带来严重的威胁Ｗ。??ｎ?ｉｐｉｉ??■■■■■■■Ｉ?ｐ?Ｉ?ｐ??＼Ｊ?ｆ?Ｉ?１１??（ａ）堆内蒸汽爆炸?（ｂ）堆外蒸汽爆炸??图１－１蒸汽爆炸现象ｍ??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｓｔｅａｍ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ??高温的培融物与低温的冷却剂相互接触（ＦＣＩ，Ｆｕｅｌ?Ｃｏｏｌａｎｔ?Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）时，在水??力学与热力学的作用下熔融物会碎化成小液滴，增加了熔融物的表面积，其与冷却剂??的接触面积也随之增大，加剧了熔融物与冷却剂之间的热量传递，冷却剂将会发生剧??１??
Ｂｏａｒｄ和Ｈａｌｌ［７，８］通过对熔融物与冷却剂相互作用过程进行实验分析，认为ＦＣＩ过??程分为粗混合（Ｐｒｅｍｉｘｉｎｇ）、触发（Ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ）、压力传播（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）和膨胀??（Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）四个阶段，如图１－２所示。粗混合过程比较平缓，作用过程可以以秒的??量级进行，然而后面三个阶段作用过程比较急促，时间比较短暂，因此通常将后三个??阶段合起来称为爆炸阶段，即将熔融物与冷却剂相互作用过程分为粗混合阶段与爆炸??阶段［９，１０］。??調??丨调關??ａ、粗混合?ｂ、触发?ｃ、压力传播?ｄ、膨胀??图１－２ＦＣＩ过程的四个阶段示意图［ｎ］??Ｆｉｇ．?１－２?Ｆｏｕｒ?ｓｔａｇｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ?ｏｆ?ＦＣＩ??在ＦＣＩ粗混合阶段，高温的熔融物液柱与低温冷却剂直接接触时，由于水力学作??用将会发生碎化，形成熔融物液滴。在膜态沸腾传热的作用下，熔融物被形成的蒸汽??膜包围，使熔融物与水间传热受到阻碍，持续的时间可以以秒为量级，称之为粗混合??阶段。在此阶段由于流动的马赫数相对比较低，可以近似地认为此过程为一个不可压??缩的过程
另外，基于熔融物液滴表面气膜不稳定性，科研工作者们也建立了一些研宄熔??融物粗碎化过程的模型，例如：Ｐａｐｕｃｃｕｏｇｌｕ模型［３９］、Ｋｉｍ模型［４Ｑ］以及Ｃｉｃｃｏａｒｅｌｌｉ模??型［４°］等。Ｐａｔｅｌ也在气膜界面Ｒ－Ｔ不稳定性的基础上，提出了如图１－３所示的边界剥离、??波峰剥离及穿透碎化三种熔融物粗碎化的情况［４１］。??＝０１?二二參二？??（ａ）边界剥离?（ｂ）波峰剥离?（ｃ）穿透碎化??图１－３熔融物液滴碎化三种情况［４１］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｒｅｅ?ｃａｓｅｓ?ｏｆ?ｄｒｏｐｌｅｔ?ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｆｕｅｌ??６??
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 黄伟峰;;运用MC3D程序计算分析堆坑内堆芯熔融物与冷却剂反应[J];原子能科学技术;2011年08期
2 黄熙;杨燕华;王溪;;堆外蒸汽爆炸堆腔压力冲量分布计算分析[J];核动力工程;2011年03期
3 许志红;李天舒;杨燕华;;冷却剂欠热度对蒸汽爆炸的影响研究[J];原子能科学技术;2010年S1期
4 李小燕,杨燕华,陈宏,徐济鋆;蒸汽爆炸粗混合阶段冷液中高温球传热阻力耦合特性的实验研究[J];核动力工程;2003年05期
本文编号：2886222
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