[发明专利]获得燃料元件矩形窄缝通道内干涸型临界热流密度的方法

说明书

一种获得燃料元件矩形窄缝通道内干涸型临界热流密度的方法，步骤如下：1.给定几何及热工参数，为环状流液膜厚度及热流密度设置初值；2.计算汽相质量流量及速度、含气率和液相质量流量；3.计算液相速度、环状流液膜的雷诺数及其厚度；4.判断环状流液膜厚度是否收敛，否则取计算值为初值重复3；5.重新计算液相速度和对应的热流密度；6.根据亥姆霍兹稳定性判据获得汽相速度和对应的热流密度；7.判断液膜厚度收敛时和亥姆霍兹临界稳定时的两个热流密度是否一致，否则取二者均值作为热流密度初值重复2～6；8.收敛后获得临界热流密度。本发明方法具有较好的扩展性，对数据依赖性低，能够有效地预测干涸型临界热流密度，对板型燃料安全分析具有重要意义。

技术领域

本发明属于反应堆安全分析技术领域，具体涉及一种获得板状燃料元件矩形窄缝通道内干涸型临界热流密度的方法。

技术背景

燃料元件是反应堆的核心部件，一般有棒状及板状两种类型。由于板状燃料元件构紧凑，对加工工艺要求相对较低、体积功率高、中心温度低、储热低、燃耗高、安全性好等特点，用于核反应堆堆芯构件时，在热工水力性能上具有较大的优越性，是新型一体化压水反应堆、先进研究堆、生产堆以及新型核动力系统堆芯的一种优先选择结构。

由于相邻燃料板之间的间隙一般为1～3mm，宽高比一般大于20，是一种典型的大宽高比矩形通道，该类结构流道由于具有结构紧凑、换热温差小、表面加工和处理工艺简单、换热表面光滑度容易得到保障，在通道内高速流体冲刷下不易产生杂质沉淀而污染传热表面使传热恶化等特点，使其在反应堆工程及其以外的诸如制冷、航天、电子器件冷却等工程领域中都得到了广泛的关注和应用，吸引了大批学者对有关窄缝内流动与换热问题进行关注与研究，使之成为当下流动与换热问题重要的研究领域之一，也是目前流动换热学领域国内外学者迫切研究的难点和热点之一。

临界热流密度是保证反应堆堆芯安全最为重要的热工水力限制参数，临界沸腾现象发生时，冷却剂流动沸腾机理转变、换热系数降低，燃料元件表面传热性能恶化、壁温升高，严重的可使燃料元件烧毁从而引起放射性泄漏。因此对临界热流密度的准确预测对于反应堆设计和安全分析具有重要的意义，可为设计提供依据，为传热设备的安全运行提供保障。

由于矩形窄缝通道内的热工水力特性与常规通道不同，适用于常规通道的临界热流密度研究结果难以直接应用于矩形窄缝通道，需要专门针对矩形窄缝通道进行临界热流密度研究。目前，临界热流密度的预测方法较多采用适用于不同流体和不同结构流道的各种经验关系式以及临界热流密度查询表。经验关系式是最早使用的预测和研究临界热流密度的一种方法。至今，针对不同的热工水力条件、流型、管道结构尺寸等参数，国内外研究者们已经提出数百种临界热流密度预测经验关系式。但大多数经验关系式是基于一个比较小的数据库开发得到，因此大多数经验关系式适用范围有限，不能扩展至适用范围以外的工况。而临界热流密度查询表可在很宽的参数范围直接查表并插值的方法得到相应参数下的临界热流密度，但其只适用于单一流体，且外推到查询表提供的参数范围之外(例如高流速和高过冷度)时预测精度下降，较经验关系式需要花费更多的计算时间。此外，数据表格的形式使其不便于更新。

基于此，有必要提供一种可避免使用大量的实验数据拟合公式，降低对数据的依赖性，并能够适用于不同的流型和流体工质的更有效率的预测临界热流密度的方法。

发明说明

为解决上述问题，本发明提供一种获得燃料元件矩形窄缝通道内干涸型临界热流密度的方法，可避免使用大量的实验数据拟合公式，降低对数据的依赖性，并能够适用于不同的流型和流体工质。

为了达到上述目的，本发明的采用如下技术方案：

一种获得燃料元件矩形窄缝通道内干涸型临界热流密度的方法，包括如下步骤：

步骤一：给定燃料元件矩形窄缝通道几何参数即流道截面长、流道截面宽和通道长度，以及初始热工参数即进口温度、进口流量和出口压力，设置一个初始环状流液膜厚度及初始热流密度q_e；