超临界压力水循环系统非线性水动力特性研究

　　1 引 言

　　超临界压力下，由于流体连续相变，比热、比容等热力性质及热导率和粘性等传输性质在拟临界点附近(大比热区)均历经剧烈的连续变化，使加热区热负荷与浮力对传热特性与流动特性的影响显著。在特定条件下，出现传热恶化等特有现象及各向异性湍流、层流化等丰富的传输机制。超临界压力下流动传热在拟临界点附近显著的多参数耦合空间分布与局域机制的积分效应，使循环流动特性不同于简单的单相流动，呈轻、重流体相混合的复杂“多流体”效应;驱动力与阻力间强烈非线性的耦合匹配，也使系统具有特殊水动力特性。系统特性分析时，需考虑这些特点影响，通过适用的传热流动经验关系或唯象模型反映复杂的多流体效应，正确理解超临界压力水循环基本水动力特性及工程物理实质。

　　本文分别针对超临界压力下一个简化的强制和自然循环单通道水回路，结合水动力分析模型以及超临界压力水物性变化与传输特征，通过适用的非线性数值方法，初步分析水动力机制，并研究参数效应。

　　2 超临界压力单通道循环系统水动力分析

　　2.1 系统回路简介

　　图1 为超临界压力下单通道水自然循环与强制循环回路简图。其中，强制循环回路由下水平段、循环泵、垂直加热段、上升段、上水平段、水平冷却段、压力控制器与下降段组成。自然循环回路除无循环泵(但考虑泵局部阻力)外，其余结构与参数均跟强制循环回路相同。

　　2.2 自然与强制循环稳态水动力模型

　　2.2.1 简化假设与基本方程 本文采用如下简化假设：①一维稳态流动，垂直于回路长度方向

　　截面上流动参数均匀相等;②不计摩擦等的热效应，忽略流体轴向导热;③理想压力控制器，即控制器与回路连接处压力为定值;④加热段热负荷均匀，冷却热流均匀且冷却功率等于加热功率，其余管段绝热;⑤强制循环中循环泵为压力点源，采用给定扬程-流量特性。

　　依此，自然与强制循环稳态热工水力基本方程如下：

　　质量方程：

式中，G 为循环流量;z 为沿回路方向一维坐标;P (z) 是沿 z 方向压力分布;θ 为各段倾角，对水平段：θ = 0°，对垂直段：θ = 90°;f (z) 为各段单位长度阻力[含摩擦阻力与局部阻力，即：f (z) = ffr(z)+fl(z)];H 是沿 z 方向焓分布;q(z)为各段上热负荷;Q 为总加热功率;Lh与 Lc分别是加热与冷却段长度。

　　将动量方程(2)式沿回路积分，有：

　　于是有回路驱动力-阻力平衡方程：

　　这样，系统水动力分析问题成为：在式(1)与式(3)的约束下，求解驱动力-阻力平衡方程(6)。数值计算中，式(1)、式(3)、式(6)的离散形式分别如下：