关键词:
CiADS反应堆
二回路系统
熔盐
湍流混合对流换热
雷诺应力模型
摘要:
铅冷快堆作为第四代先进核能系统的六种堆型之一,具有中子能谱硬、固有安全性高和热工水力特性良好等优点,其被选为我国“加速器驱动嬗变研究装置”(China initiative Accelerator Driven System,CiADS)的乏燃料处理终端。CiADS次临界反应堆正常运行时,通过主换热器将堆芯产生的热量传递到二回路系统,然后由二回路系统空冷器再传递到大气环境中。熔盐是CiADS次临界反应堆二回路系统的备选介质,在二回路系统换热器运行过程中熔盐介质内部会产生温度差和密度差,当换热器的热流密度达到一定值时,重力作用下的密度差会在熔盐换热过程中产生较大的浮升力,可能会将湍流强制对流换热转变为湍流混合对流换热,而目前国内外对熔盐的湍流混合对流换热特性研究并不充分。因此开展基于CiADS反应堆二回路系统的熔盐湍流混合对流换热特性研究具有重要意义。
CiADS反应堆二回路系统的熔盐介质方案主要包含两类换热器,分别是翅片管熔盐空冷器和铅铋-熔盐主换热器。本文基于这两类换热器的设计需求开展了水平、倾斜条件下冷却圆管内湍流混合对流换热特性模拟研究,完成了主换热器原理样机设计并分析了浮升力对其换热能力的影响。研究取得的主要成果如下:
1)通过文献中方管内熔盐湍流混合对流换热的实验结果对包括RNG k-ε模型,Realizable k-ε模型,SST k-模型和基于ε的雷诺应力模型在内的多种湍流模型和壁面设置的适用性进行评估,发现基于ε的雷诺应力模型结合增强壁面处理的方法能够给出较好的预测结果。
2)通过对不同直径下水平管道内Hitec熔盐湍流混合对流换热特性分析,发现浮升力引起的二次流会导致管道上半部分壁面的换热能力随着浮升力的增加而增加,管道下半部分壁面的换热能力随着浮升力的增加而降低,管道整体平均换热能力随着浮升力的增加先增加后降低。本文基于数值研究结果提出了用于表征浮升力效应的准则数Bo,并提出了浮升力开始影响换热以及总体换热能力开始下降的Bo临界值。同时本文针对水平管道不同区域的换热特性,分别给出了管道不同区域的平均湍流混合对流换热关系式。
3)在水平管道的基础上研究了倾斜冷却圆管内Hitec熔盐的湍流混合对流换热特性,分析了冷却向上流动时出现的二次流削弱及流动反转现象,以及冷却向下流动时出现的二次流增强及流动加速现象。同时本文基于不同倾斜角度下的换热特性,针对管道不同区域壁面分别提出了包含倾斜角度为自变量的平均湍流混合对流换热关系式。
4)基于水平和倾斜角度下Hitec熔盐湍流混合对流换热特性研究结果,对CiADS反应堆二回路系统熔盐方案空冷器的设计选型提出建议:优先选择竖直向上流动布置,此时换热始终得到增强;不推荐水平布置或者接近水平的倾斜布置,此时会在管道截面引起较大的换热不均匀性;倾斜布置时优先考虑冷却向上流动,但此时要避免过大的Bo值,以防出现流动反转现象。
5)基于CiADS次临界反应堆主换热器的设计和实验验证需求,开展了主换热器原理样机设计,并设计了一套测量系统和配套的仪表定位工装,同时分析了浮升力对主换热器原理样机换热特性的影响。
本研究部分满足了熔盐介质换热器的工程设计需求,给出了水平圆管内浮升力开始影响湍流换热的判断标准,分析了倾斜角度对熔盐湍流混合对流换热特性的影响,并针对管道不同区域提出了不同倾斜角度下的熔盐湍流混合对流换热关系式,同时设计了主换热器原理样机。本研究内容可为CiADS次临界反应堆二回路系统熔盐介质方案换热器的设计提供支撑。