第六講-流體力學(xué)分析

穩(wěn)態(tài)工況下堆內(nèi)流體力學(xué)分析流體的特征和主要物理性質(zhì)所謂流體主要指液體和氣體。流體是由無限多個質(zhì)點所組成的連續(xù)介質(zhì)，它不間斷地充滿其空間。因此，流體的流動是由充滿整個流動空間的無限多個流體質(zhì)點的運(yùn)動所構(gòu)成的。充滿運(yùn)動著的流體空間稱為流場，表征流體運(yùn)動的物理量，如速度、壓力、密度等稱為流體運(yùn)動參量。這些運(yùn)動參量一般是空間位置和時間的函數(shù)。如果它們與時間無關(guān)，則稱此流動為穩(wěn)態(tài)流動（或稱定常流動），反之為瞬態(tài)流動（或稱非定常流動）。

流體的顯著特征是具有流動性和變形性，不能抵抗拉伸力和剪切力的作用，只能承受壓縮力的作用。流體的特征和主要物理性質(zhì)(續(xù)）液體和氣體的主要區(qū)別是：（1）液體有自由表面，氣體無自由表面；（2）液體具有一定的體積，其形狀被所在的容器的輪廓所限定。一般情況下，液體可以看作不可壓縮流體。氣體可以充滿其所占有的全部空間無明顯的外廓形狀，氣體被認(rèn)為是可壓縮流體；（3）液體的粘性比氣體大，并隨溫度升高而降低，氣體的粘性則隨溫度的升高而增大。作用在流體上的力靜止流體中的應(yīng)力特征流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程單相流體一維流動的壓降計算通道中的一維流動示意圖

動量守恒方程單相流體一維流動的壓降計算(續(xù)）單相流體一維流動的壓降計算（續(xù)）單相流動的壓降計算單相流動壓降計算(續(xù)）（1）等溫流動的摩擦因子（2）非等溫流動的摩擦因子前面介紹的計算摩擦因子公式只能適用于等溫流動，即在流體流動中通道橫截面上各點的流體溫度都保持一致且沿程不變。但在有熱交換的地方（如反應(yīng)堆堆芯和蒸汽發(fā)生器），流體被加熱或被冷卻。在這種情況下，流體的溫度不僅沿橫截面上改變，而且沿流程也發(fā)生變化，這就是非等溫流動。隨著熱量的傳遞，在緊貼通道壁面的邊界層內(nèi)出現(xiàn)了很大的溫度梯度。在流體被加熱時，靠近壁面處的溫度比主流體溫度高，對于水其粘度變小，對于蒸汽其粘度變大；當(dāng)流體被冷卻時，情況恰好相反。（2）非等溫流動的摩擦因子(續(xù)）（2）非等溫流動的摩擦因子(續(xù)）加速度壓降計算形阻壓降計算臨界流動現(xiàn)象這種使出口流量保持在最大值的流動叫做臨界流動，其最大流量稱為臨界流量mc。當(dāng)降低而保持不變時，在與之間的流體就在通道外面自由擴(kuò)張，并呈拋物線形狀。圖5.6—1

臨界流現(xiàn)象臨界流動現(xiàn)象臨界流動現(xiàn)象臨界流動現(xiàn)象在單相流和兩相流（兩相流也是可壓縮流體）中都可能發(fā)生，它不僅發(fā)生在管道斷裂的破口處，而且也可能發(fā)生在破口上游的某截面上，只要那里的流體速度足夠高。臨界流動在反應(yīng)堆事故分析中十分重要。在水冷反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)中，充滿著高溫高壓的冷卻水。當(dāng)回路管道發(fā)生破裂時，冷卻水從破口噴出，回路迅速卸壓，回路內(nèi)的高溫水急劇汽化，形成汽—液兩相流，破口一般處于兩相臨界流動狀態(tài)，破口排放流量達(dá)到臨界流量。破口流量決定了冷卻劑的喪失速率和一回路卸壓速率，從而影響到堆芯冷卻能力和應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。單相流體的臨界流動氣（汽）—液逆向流動現(xiàn)象氣（汽）相和液相的流動方向相反的兩相流叫氣（汽）—液逆向流動。例如，在壓水堆一回路管道發(fā)生大破口失水事故過程中，應(yīng)急冷卻水注向壓力容器下行通道（Downcomer）時，會與從堆芯及下腔室冒出來的蒸汽相遇，即冷卻水向下流而蒸汽向上流，這就形成垂直汽—液逆向流動；在壓水堆一回路系統(tǒng)發(fā)生小破口失水事故過程中，當(dāng)自然循環(huán)中斷時，在蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)蒸汽冷凝而成的凝結(jié)水通過主管道的水平段返回堆芯的途中，遇到流往蒸汽發(fā)生器的蒸汽，就形成水平汽—液逆向流動。氣（汽）—液逆向流動現(xiàn)象(1)穩(wěn)定的氣-液逆向流動，分界面光滑；（2）達(dá)到溢流速度，液膜不穩(wěn)定，氣體中夾帶有液滴，形成少許液膜；（3）向上的爬膜和向下的落膜同時存在；（4）液體全部被帶到注入點上方，向下輸送的液體流量為零。垂直氣液逆向流動中的阻液和流動反轉(zhuǎn)氣（汽）—液逆向流動現(xiàn)象圖5—17

垂直氣液逆向流動中的阻液和流動反轉(zhuǎn)氣（汽）—液逆向流動的流量制約關(guān)系氣（汽）—液逆向流動的流量制約關(guān)系水錘現(xiàn)象流體速度的突然改變會引起巨大的壓力變化，可以把這種壓力變化看作一種壓力波，跨越這種壓力波的壓力和速度是不連續(xù)的。壓力波可能是一種壓縮波（高壓在波前之后），也可能是一種稀疏波（低壓在波前之后），它們相對于流體以聲速推進(jìn)。突然關(guān)閉流體正在流動的管道中的閥門，一個高壓管道系統(tǒng)的破裂（例如冷卻劑喪失事故），或者由于反應(yīng)堆功率的偏移導(dǎo)致蒸汽的猝發(fā)，都有可能產(chǎn)生壓力波。蒸汽的猝發(fā)給出了動能，當(dāng)流動受到阻礙時，動能便轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫γ}沖。這種普遍性的壓力波和其傳播通常稱為水錘。因為壓力波的振蕩會對管道和設(shè)備造成沖擊，類似“錘子”對它們的敲打，故稱“水錘”。水錘現(xiàn)象（續(xù)）截止閥突然關(guān)閉而形成水錘的過程如下：（1）管道中單相流體的流動：截止閥突然關(guān)閉，使閥門附近的流體的速度突然降到零，而閥門上游的流體由于慣性繼續(xù)以原來的速度速向前流動，從而對閥門附近的流體造成壓縮形成高壓區(qū)。流體由原來壓力變成高壓的這種變化形成壓力波，并以聲速不斷向上游傳播，從而又造成上游壓力高，閥門附近壓力低。如此反復(fù)振蕩形成“水錘”。（2）管道中汽－液兩相流動：基本上與單相流動相似。但是，由于汽泡的消失和重新形成，會造成的壓力振蕩的幅度更大。在第一次形成高壓區(qū)時，壓力的升高使汽－液兩相流過冷，從而使蒸汽泡快速凝結(jié)成水而使汽泡突然消失，使上游的兩相流體加速向閥門附近流動而壓縮，又造成更多的汽泡消失或破裂。當(dāng)反向增壓時，使另一方向的汽泡壓縮而破裂消失，而閥門附近的汽－液兩相流因減壓而使液體過熱，使部分液體“閃蒸”，重新形成汽泡。由于壓力減到比原來均衡流動壓力更低，新汽泡比原來的汽泡更多更大，因而這時反復(fù)振蕩形成的壓力波波幅更大，更具破壞力。水錘現(xiàn)象（續(xù)）水錘現(xiàn)象（續(xù)）水錘現(xiàn)象（續(xù)）流動不穩(wěn)定性在加熱的流動系統(tǒng)中，如果流體發(fā)生相變即出現(xiàn)汽—液兩相流動，流體不均勻的體積變化可能導(dǎo)致流動不穩(wěn)定。在反應(yīng)堆堆芯、蒸汽發(fā)生器以及其它存在汽—液兩相流的設(shè)備中一般都不允許出現(xiàn)流動不穩(wěn)定性，其主要原因是：流動振蕩會使部件產(chǎn)生有害的機(jī)械振動，而持續(xù)的流動振蕩會導(dǎo)致部件的疲勞破壞；流動振蕩干擾控制系統(tǒng)。在壓水堆中由于冷卻劑同時兼作慢化劑，所以這個問題尤其重要；流動振蕩會使部件的局部熱應(yīng)力產(chǎn)生周期性的變化，從而導(dǎo)致部件的熱疲勞破壞；流動振蕩會使系統(tǒng)內(nèi)的傳熱性能變壞，使臨界熱流密度大幅度下降，造成沸騰危機(jī)的過早出現(xiàn)。實驗證明，當(dāng)出現(xiàn)流動振蕩時，臨界熱流密度的數(shù)值會降低40%之多。自然循環(huán)自然循環(huán)是指在閉合回路內(nèi)依靠冷段（向下流）和熱段（向上流）中的流體密度差在重力作用下所產(chǎn)生的驅(qū)動壓頭來推動的流動循環(huán)。核能系統(tǒng)同采用常規(guī)燃料的動力系統(tǒng)的主要區(qū)別之一是它需要排出衰變熱。在第二章介紹過，停堆后繼續(xù)釋放的衰變功率可高達(dá)幾十兆瓦。因此停堆以后還必須對反應(yīng)堆繼續(xù)冷卻，以便帶走這些熱量。雖然可以通過多種方式進(jìn)行停堆后的冷卻，但是自然循環(huán)能夠提供固有的而且是安全可靠的冷卻過程。如果堆芯結(jié)構(gòu)和回路布置設(shè)計的合理，就能夠利用自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭推動冷卻劑在一回路中循環(huán)而不需要任何動力源，這對核電廠失去廠外電源而應(yīng)急電源又不能及時啟動時尤為重要。無論是單相流系統(tǒng)還是兩相流系統(tǒng)，產(chǎn)生自然循環(huán)的原理都是相同的。自然循環(huán)（續(xù)）自然循環(huán)（續(xù)）自然循環(huán)（續(xù)）自然循環(huán)（續(xù)）圖5—19反應(yīng)堆一回路簡化流程

自然循環(huán)（續(xù)）自然循環(huán)（續(xù)）由式（5—126）可以得出建立自然循環(huán)（即產(chǎn)生驅(qū)動壓頭）的必要條件是：（1）系統(tǒng)必須在重力場內(nèi)；（2）系統(tǒng)中必須有熱阱（即熱交換器）和熱源（堆芯）之間的高度差（熱阱在上，熱源在下）；（3）系統(tǒng)中的流體密度必須存在密度差。自然循環(huán)（續(xù)）自然循環(huán)（續(xù)）自然循環(huán)（續(xù)）自然循環(huán)（續(xù)）自然循環(huán)有時會中斷。如果堆芯中產(chǎn)生了蒸汽，并積存