石墨粉尘高温气冷堆温度梯度边界层内沉积规律研究

发布时间：2020-07-13 06:13

【摘要】：高温气冷堆内石墨粉尘运动行为对于反应堆的安全运行具有重要的意义,石墨粉尘跟随氦气流动过程中,在反应堆一回路不同部位和设备表面的沉积将影响这些部件的热工水力性能,给其维护和检修带来不便。其中,一回路中很多重要的换热部件均存在温度梯度,石墨粉尘由于温度梯度所受到的热泳力对其运动和沉积有重要的影响。基于此,本文针对石墨粉尘在温度梯度边界层内的沉积进行了实验研究以及针对高温气冷堆中两个重要的换热结构开展相应的数值模拟,拟为高温气冷堆内石墨粉尘沉积问题的控制和解决提供了帮助。主要研究结论如下:温度梯度边界层中石墨粉尘沉积实验研究表明:石墨粉尘在两段试验段的总沉积效率以及第一段试验段的沉积效率均随着入口温度的上升和管内雷诺数的下降呈上升趋势,第二段管的沉积效率随着管内雷诺数的增加而减小。由于管内气体与壁面的换热主要集中在第一段实验段中,因此对于第一段实验段而言,石墨粉尘在其内的沉积主要受到热泳沉积以及流体流动本身带来的颗粒沉积两方面的影响;而对于第二段实验段而言,由于管内并没有存在明显的温度梯度边界层,此时石墨粉尘的沉积主要是管内流体流动本身带来的颗粒沉积造成。针对回热器中石墨粉尘沉积行为数值模拟研究表明:直通道模型中石墨粉尘的沉积主要是热泳沉积,随着颗粒粒径和入口速度的上升,石墨粉尘沉积效率由于趋壁运动趋势和模型内运动时间的减小而呈下降趋势;锯齿型模型中石墨粉尘的沉积主要是惯性沉积,随着模型复杂程度,颗粒粒径以及流体入口速度的增加,石墨粉尘的沉积效率呈上升趋势。直通道模型内热泳沉积的份额在90%以上,而锯齿型模型内热泳沉积的份额大约为5%。综合考虑传热流动性能以及石墨粉尘的沉积规律表明,对于实际应用,选择翅片长度适中的锯齿型型板翅回热器结构更有利。针对三种简化的堆芯结构模型中石墨粉尘沉积行为数值模拟研究表明:球床结构颗粒的沉积主要是惯性沉积以及湍流沉积,由于燃料球表明的温度高于流体温度,所以温度梯度边界层内的热泳力对于石墨粉尘的沉积具有抑制作用,面心立方结构中的抑制作用最明显。简单立方模型内颗粒沉积效率与体心及面心立方模型相比,由于流道简单,沉积效率明显低很多。随着球床层数以及颗粒粒径的增加,颗粒的沉积效率呈增加趋势,但在简单立方结构内效率增加并不明显。由于流体速度分布存在涡流,石墨粉尘在模型内的运动轨迹也存在涡状结构。三种模型中石墨粉尘沉积效率最高的是体心立方结构,最低的是简单立方结构。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL424
【图文】：

球形燃料元件

球形燃料元件结构

热泳力

（1-3）图1.2 热泳力示意[11]式（1-2）与（1-3）中η为气体的动力粘度，ρg为气体的密度，ka和kp分别为空气和颗粒的热导率。Batchelor 等人[12]通过理论分析和数值计算，研究了当掺杂颗粒的高温气体流经低温壁面上方时，颗粒在热泳力作用下的运动情况与温度梯度，温度边界层，速度边界层等之间的关系，并且提出了对应的热泳沉积效率计算公式：η =PrKthTW(TeTW)(1 (1 PrKth)(TeTWTW)) （1-4）式（1-4）中 Pr 为普朗特数，Te为气体进口温度，TW为壁面温度

试验段,细管

112.1.2 试验段如图2.2所示，试验中采用的试验段为总长2米的环管结构，内管内径为8mm，外径为 10mm，外管内径为 26mm，外径为 28mm。实验过程中，高温气溶胶在内径为 8mm 的细管内部流动，细管与粗管之间的环形管道内部通入由恒温水箱来的温度为 10℃的恒温水

【参考文献】