含不凝性气体的蒸汽竖直浸没射流冷凝喘振特性的实验研究

发布时间：2020-04-05 05:36

【摘要】：当核动力装置发生冷却剂丧失事故时,大量蒸汽会持续从破口喷出,可能导致安全壳因为超温、超压而破损。故有必要布置诸如抑压水池等压力抑制设施或设备,将事故释放的蒸汽引入到过冷水中进行冷凝,从而抑制反应堆安全壳内压力与温度的升高,保证安全壳的完整性。本文以安全壳抑压水池泄压过程中的代表现象——直接接触冷凝现象为主要研究对象,在喷管口径50 mm、浸没深度300 mm的实验装置中,使用动态压力传感器与热电偶测量不同水温、蒸汽质量流速、不凝性气体质量份额条件下直接接触冷凝的压力振荡与温度分布,并结合之前的研究成果与实验现象,分析直接接触冷凝喘振与泡状冷凝的压力波形特性、振荡频率特性、振荡强度特性、管内温度与水柱振荡特性以及水域热分层特性。本文根据纯蒸汽冷凝实验测得的压力振荡波形、振荡频率、振荡强度特性以及观察到的实验现象,将蒸汽冷凝区域划分为3个子区域:喘振冷凝区、喘振过渡区以及泡状冷凝区。在喘振冷凝区,蒸汽在喷管内冷凝,喘振振荡主要表现为喘振射流的压力振荡;该冷凝区域是喘振振荡强度峰值最大的冷凝区域。在喘振过渡区,蒸汽冷凝基本发生在管口,喘振振荡表现为管口的蒸汽气泡冷凝溃灭的压力振荡;该冷凝区域是喘振发生最为频繁的冷凝区域,也是冷凝振荡时均强度最大的冷凝区域。在泡状冷凝振荡区,蒸汽冷凝发生在管口外,喘振现象不再明显,冷凝振荡主要表现为汽泡界面的往复运动与汽泡的破裂脱离;该冷凝区域是冷凝振荡强度和频率最小的区域,也是产生热分层现象的主要区域。Aya基于球状汽泡冷凝模型建立的冷凝振荡特征频率经验公式在本实验中同样能较好地预测冷凝振荡的特征频率,误差在±30%以内。Aya的球状汽泡冷凝模型适用的喷管口径范围由30 mm拓展至本实验的50 mm。在含不凝性气体蒸汽的冷凝实验中,不凝性气体对冷凝喘振振荡现象的发生有较强的抑制作用,喘振振荡峰值强度显著降低。但少量不凝性气体(质量份额4%以下)的掺入会加剧水域的热分层现象。随着不凝性气体质量份额超过4%,水域搅混能力增强,热分层现象消失。
【图文】：

示意图,压力,安全壳,示意图

第 1 章绪论第1章绪论1.1 研究背景沸水反应堆(BWR, Boiling Water Reactor)所使用最多的三种压力抑制型安全壳[1]别为：MARK I 型、MARK II 型以及 MARK III 型，其主要结构示意图如图 1.1 所示随着对反应堆输出功率需求的逐步提升，反应堆一回路能量密度也迅速增大，当发生却剂丧失事故(LOCA, Loss Of Coolant Accident)[2-3]时，将有大量蒸汽持续从破口喷出故有必要布置诸如抑压水池等压力抑制设施或设备，将安全壳内的蒸汽引入到过冷水进行冷凝，从而抑制反应堆安全壳内压力与温度的升高，，进而保证核电厂第三道屏障完整性。本文研究对象—直接接触冷凝(DCC, Direct Contact Condensation)正是诸如抑水池等压力抑制设备中所广泛使用的蒸汽冷凝手段。

喘振现象,蒸汽,蒸汽冷凝

（1）管口处的蒸汽汽泡冷凝溃灭或管内汽-液界面处的蒸汽冷凝形成局部负压(真)，水在真空度驱使下被吸入管内。流体在被吸入管内的过程中，汽液面处的蒸汽与汽泡溃灭仍在进行，汽液面附近水温持续升高，由于管内流体搅混空间较小，使汽液面附近出现严重的热分层。（2）随着冷凝界面水温逐渐接近饱和温度，蒸汽冷凝换热系数降低，蒸汽冷凝的真空度减小，同时由于流体的惯性作用，水柱仍会继续向上运动，压缩蒸汽空间终动压全部转化为蒸汽静压，随后蒸汽推动汽液面将管内水柱推射出管口，形成喘流。（3）在射流过程中，由于流体喷射的惯性作用蒸汽被夹带射出，在管口形成单尺寸汽泡。此时，蒸汽汽泡浸没在高过冷度流体环境中，致使蒸汽泡冷凝溃灭、多体发生撞击，形成压力冲击波。（4）蒸汽气泡冷凝溃灭后，高过冷度流体在蒸汽冷凝负压的推动下被再次吸入并重复上述过程。至此，该连续过程即为发生一次喘振现象。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL364.3

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