[发明专利]一种适用于动态条件下加热棒束通道内热工水力特性研究实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于动态条件下加热棒束通道内热工水力特性研究实验装置，应用在船用核动力装置堆芯棒束通道热工水力技术领域中。

背景技术

核能作为船用动力能源，具有功率密度高、经济效益好、续航时间长、清洁、安全等优点，越来越受到了海洋装备大国的高度重视。随着21世纪“海上丝绸之路”战略构想和建设“海洋强国”战略的提出，我国对于海洋的清洁可持续的资源和能源需求将日益迫切。近年来，我国正在积极发展水面核动力平台和浮动核电站。从维护国家海洋安全的战略要求出发，开发能够适应复杂海洋环境的军用和民用核动力系统是核能工业领域的当务之急。

2002年，日本国家海上技术研究所，特级研究员Hiroyuki Murata，于核工程领域权威杂志《Nuclear Engineering and Design》第2期，215卷中发表文章《Natural circulation characteristics of a marine reactor in rolling motion and heat transfer in the core》一文，该文提到：采用核动力推进的船舶受海洋条件的影响及自身机动的作用，极易产生摇摆等运动，摇摆运动会产生附加加速度并引起空间位置的变化，从而导致核反应堆系统和关键设备的流动和传热特性发生改变，造成堆芯物理特性和关键设备运行特性发生变化，对核反应堆系统的工作特性和安全运行产生潜在的威胁。

因此在船用反应堆的研发设计中，需着重评估摇摆运动的引入对核反应堆热工水力特性的影响，如实验回路系统冷却剂波动下，棒束通道内的流动传热特性以及系统的流动不稳定性边界等。

对于摇摆条件下，绝热棒束通道内的流动阻力特性研究，哈尔滨工程大学闫超星等在2014年至2015年期间，于《Experimental Thermal and Fluid Science》，《Progress in Nuclear Energy》，《Annals of Nuclear Energy》等著名杂志发表多篇相关论文。其研究结果表明，摇摆条件下棒束通通道内流动阻力特性与静止条件下存在很大区别。然而，限于实验条件制约，其研究仅局限于强迫循环冷态实验，未进行加热棒束通道内实验。

对于摇摆条件下单相自然循环流动特性，2009年哈尔滨工程大学谭思超教授于《Applied Thermal Energy》(JCR一区，IF:3.04，被引98次)第14-15期29卷发表《Experimental and theoretical study on single-phase natural circulation flow and heat transfer under rolling motion condition》一文，该文较为详细的总结了摇摆条件下，圆管内自然循环流动中的单相流动与传热特性；2012年，海军工程大学，焉炳火副教授于《Progress in Nuclear Energy》第1期54卷发表《The experimental and theoretical analysis of a natural circulation system in rolling motion》一文，该文章指出，在摇摆条件下，自然循环系统的排热能力会受到影响，特别在摇摆剧烈工况，摇摆会减弱自然循环系统的排热能力，威胁反应堆安全运行。

关于摇摆条件下，圆管及矩形通道内两相自然循环流动传热以及系统行为问题，哈尔滨工程大学谭思超教授，余志庭博士，张文超博士，王畅博士等做出了相应研究，并于《International Journal of Heat and Mass Transfer》，《Experimental Thermal and Fluid Science》，《Nuclear Engineering and Design》，《Annual of Nuclear Energy》等著名期刊发表多论文。研究表明摇摆对于两相自然循环流动传热特性影响非常复杂，传统静止条件下的计算公式难以适用于海洋条件。

根据动态条件下圆管以及矩形通道内的流动传热研究成果以及冷态棒束通道内的流动特性研究成果，不难推测摇摆运动会对棒束通道内的单相/两相自然循环流动产生较大影响。为保障动态条件(摇摆)下，核反应堆的安全运行，设计一套能用于动态条件下棒束通道内的流动传热问题研究发热实验装置非常重要。

发明内容