第四章(第三次课)--两相流动压降专题

第三课压降计算专题上海交通大学核工系压水堆核电厂立式U型管自然循环蒸汽发生器一、二次侧压降计算™在蒸汽发生器中，一回路载热剂与二回路工质之间的热交换是在其流动过程中完成的。这些流动不仅影响热交换过程，而且也影响蒸汽发生器的经济性与可靠性。所以，流动过程亦即水动力过程计算是蒸汽发生器计算一个十分重要的方面。612345图4-10一回路侧水动力计算简图1：进口接管；2：进口水室；3：管板；4：U型管束；5：出口水室；6：出口接管™蒸发器的示意图™在蒸发器中流动的工质囊括了所有单相与两相流动的情况，因此在计算压降时，应该包括单相和两相的压降计算一、单相流动压降计算（一次测）™我们知道，在压水堆一回路中，高温高压的工质水是以单相液态在回路中循环流动，通过对流换热将堆芯的热量带到蒸汽发生器，通过二次侧的沸腾换热转变为蒸汽，冲动汽轮机做功。因此在进行蒸汽发生器一次侧水动力计算之前，有必要简单总结一下单相压降计算的相关内容。™单相工质在流道中流动时，通道中工质的流动总压降为gaHpppp∆+∆+∆=∆阻力压降™纵向冲刷情况™(1)摩擦压降™单相流的摩擦压降，可用著名的Darcy公式计算，即ρρ2222GdLfudLfpeeT==∆™a.等温流动情况™单相等温流动的摩阻系数f取决于流体的流动性质（层流或湍流）、流动状态（定型流动或非定型流动）、通道几何形状、表面粗糙度等因素有关。按照Moody摩擦系数图（参见单相流体动力学有关部分）。具体计算步骤参看教材内容。™b.非等温流动情况™对于非等温流动情况，考虑边界层内流体粘度的影响，有修正的Darcy公式()nfwffµµ=′(2)局部压降™局部压降主要包括四种类型：涡流损失、加速损失、转向损失与撞击损失。™局部压降的一般表达式为：™这里，ξ称为局部阻力系数，主要由实验确定。22upLρξ=∆一些局部阻力系数的计算™冲刷管束情况™对于U形管蒸汽发生器特定的结构形式，给水进入U形管管束相当于冲刷垂直布置的管束；而在管束顶部的防震格架区，则相当于以一定冲击角冲刷水平布置的管束。201212111202Re2⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∆=∆+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∆=AAupNAupavtmavavavρρξρξξϕρξ™对于冲刷管束的形阻系数公式还有Jacob公式。gunp22ρξ=∆™冲刷管束阻力系数()15.012Re108.0044.04−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+=nSSξ™冲刷管束（交叉排列）™式中，S1、S2分别为横、纵向节距，，其中的u为流体在管束最小流道截面处的流速，()15.008.12Re111.023.04−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+=Sξ()µρ0Reud=213.143.0Sn+=™此外，八十年代国外一些三维蒸汽发生器计算程序中，流动摩擦系数常采用下面的简单式子：™式中，Re对应于在管束最小流道截面处的流速。205.0Re86.0−=f重位压降™单相流体的重位压降仅在所给定的两界面间具有一定高差时才会显示出来。它由下式表达∫=∆21sinzzgdzgpθρ加速压降™加速压降由下式表示™考虑到（G为质量流量），我们有™液相冷却剂在只有温度变化而不发生沸腾相变时，密度变化较小，所以沿等截面流道流动时可忽略加速压降。∫=∆21uuaudupρ()12211ρρ−=∆Gpa立式自然循环蒸汽发生器一次侧水动力计算步骤™一次侧水动力计算可以不计重力压头，也不计由于温度变化引起的加速阻力。因此，一回路载热剂在蒸汽发生器内的压降仅为由入口接管至出口接管之间的水阻力。612345图4-10一回路侧水动力计算简图1：进口接管；2：进口水室；3：管板；4：U型管束；5：出口水室；6：出口接管™(1)沿传热管的摩擦阻力∆pT（摩擦阻力系数f根据热工计算确定的Re数求取，平均密度与平均速度取自热工计算，传热管的平均长度要计入两端在管板内的长度）；™(2)局部阻力™a.由进口接管至进口水室，通道截面突然扩大的局部阻力∆pA（较小通道截面为接管横截面，较大通道截面为与载热剂接触的管板半圆面；载热剂密度按一回路载热剂压力与入口温度确定，载热剂流速取进口接管内速度。）；™b.在进口水室内转弯的局部阻力∆pB（由于进口水室空间较大，可以认为载热剂在此处的转弯类似于在管子弯头内的平滑转弯：如果入口水室空间较小，可按联箱内的急剧转弯计算。（对于平滑转弯与急剧转弯分别有不同的转弯阻力系数取法）；载热剂在进口水室内的密度与计算速度可与同1）。）；™c.由进口水室至传热管束，通道截面突然缩小的局部阻力∆pC（较小流通截面为传热管束的流通截面；较大的通道截面为与载热剂接触的管板半圆面；计算速度可取载热剂在传热管束内的平均速度；载热剂在传热管束进口处的密度同1）。）；™d.在U型管弯头内转弯180°的局部阻力∆pD（局部阻力系数可取0.5；计算密度与计算速度按a.取平均密度与平均速度。）；™e.由传热管束至出口水室，通道截面突然扩大的局部阻力∆pE（较小通道截面为传热管束的流通截面；较大通道截面为与载热剂接触的管板半圆面。密度按一回路载热剂压力与出口温度确定；流速取平均速度。）；™f.在出口水室内转弯的局部阻力∆pF（局部阻力系数同2）；计算速度取平均速度，密度同e。）；™g.由出口水室至出口接管，通道截面突然缩小的局部阻力∆pG（较小通道截面为出口接管流通截面，较大通道截面为与载热剂接触的管板半圆面。计算速度取在出口接管内的速度；计算密度同e。）。™h.蒸汽发生器一回路的局部阻力∆pLGFEDCBALpppppppp∆+∆+∆+∆+∆+∆+∆=∆™(3)蒸汽发生器一回路侧的水阻力∆pHLTHppp∆+∆=∆™(4)蒸汽发生器一回路侧的设计阻力∆p™推荐储备系数η取10%，于是有()Hpp∆+=∆η1单相-两相流动压降计算⎯⎯蒸汽发生器二次侧的自然循环™立式自然循环式蒸汽发生器中二次侧工质是以自然循环方式进行流动和传输的。自然循环是指在闭合回路内依靠上升段与下降段内的流体密度差所产生的压头来实现的循环流动。自然循环的一个重要参数是循环倍率。其定义为™循环倍率c=上升流道内汽水混合物总质量流量/汽质量流量™自然循环计算的基本任务就是通过求解水循环基本方程式求取循环倍率或循环水流动，并校核循环倍率是否在合理范围内。这里我们主要介绍立式自然循环蒸汽发生器的水循环计算的内容与计算方法。HH1H2H3图4-11自然循环回路二回路侧循环™如上图所示。循环回路是由上升通道（套筒内侧与传热管束间的通道）、下降通道（套筒与蒸汽发生器筒体之间的环形通道）、连接上升、下降通道的套筒缺口及汽水分离器组成。根据蒸汽发生器的结构，下降通道是套筒和蒸汽发生器筒体之间的环形通道。上升通道由套筒内预测传热管束之间的通道组成。™在循环回路中，下降通道内流动的是单相水，而上升通道内流动的则是汽水混合物。显然，在同一系统压力下，单相水的密度大于汽水混合物的密度，两者之差在回路中建立起驱动压头，在此压头驱动下，水沿下降通道向下流动，而汽水混合物则沿上升通道向上流动，于是建立起自然循环。循环计算™基本方程式™不论是单相流或是两相流，对于任意结构流道，两个给定截面间的压降均由摩擦、局部、加速、重力压降组成，即gaLTgafpppppppp∆+∆+∆+∆=∆+∆+∆=∆™那么，对于一个稳定的循环回路流动，回路中总的压降应该正负平衡。亦即，其驱动压头用以克服阻力压降，即™或者0=∆∑iip()()()()[]∑∑∆+∆+∆+∆=∆−iigiaiLiTidriveppppp驱动压头™确定驱动压头即要计算各区段的重位压降。在加热流道，特别是受热两相系统中，汽水混合物的密度是连续变化的。一般的计算方法是将计算区域分成若干小段，在每一个小段中认为密度为常数，进而求取各段的重位压降。™驱动压头DH按下式计算：™这里需要说明，由于二回路的给水进入蒸汽发生器后，与再循环水混合，沿着下降通道流动，进入上升通道时还没有达到饱和温度。因此传热面中分为预热段与沸腾段两部分。在传热面上面，还有一个上升段，提高了循环压头，所以上升通道的总高度由预热段、沸腾段与上升段组成，其中沸腾段与上升段也叫含汽段。()riseroutboilprepredcgHgHgHgHDHρρρρ++−=2™流动摩擦压降™自然循环中流动摩擦总压降由：下降通道压降、上升通道压降及分离器压降组成。其中，下降通道中为单相摩擦压降；上升通道中的预热段为单相摩擦压降；沸腾段为两相压降（结合具体结构，按前面述及的两相摩擦乘子概念与计算式计算两相摩擦压降）。™加速压降()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−+−−=∆dcoutvoutoutloutaxxGPραραρ111222™局部压降™主要包括套筒缺口处单相流横向冲刷传热管并折流而上的压降、流量分配挡板压降（如果有的话），支撑板压降及汽水分离器压降等。其中流量分配挡板及分离器压降通常用动压头乘以局部阻力系数（经验值）的方法进行计算，即ρξρξ2222Gupc==∆循环倍率的求取™(1)迭代计算法：由以上叙述可以看到，驱动压头及各项压降均为流量的函数。为此要先假设流量（或在蒸汽产量给定的条件下的循环倍率），分别计算驱动压头与总流动压降。一般来说，这样求得的驱动压头与总压降是不相等的。为此，必须重新修正给定的初值c，因而这是一个重复计算的迭代过程。直至在一定精度下两者相等，对应的循环倍率即为所求。™(2)图解法：在一系列流量（或循环倍率）下，分别求取并绘制对应的驱动压头与流动总压降曲线（如图4-12，由图可见，压降随流量增大而增大，而驱动压头随流量增加而减小），压降-流量曲线与驱动压头-流量曲线的交点所对应的循环倍率即为所求。™应当指出，由于管束热端蒸汽产量高，而另一些局部则出现滞流区。因而可以预计在管束横截面上汽相流动一般并不均匀，然而基于上述集总参数法的计算结果却掩盖了这一事实；此外，由于流体密度变化的不均匀性，用平均密度来综合这些现象，其结果也只能是近似的。所以这里叙述的计算方法仅供初步计算或趋势分析用。精确计算必须深入到沿传热管高度的各个不同截面及径向不同的位置，至少应将传热管进行分段，计算各段的传热与流动特性。显然，只有借助于计算机，才能处理这样一个复杂流动系统的自然循环计算，并得到足够准确的结果。本次课结束！