一填空题二单项选择题三多项选择题(可能)四问答题五名词解释(例如临界热流密度、循环倍率、雷诺数Re等)六计算&推导题(空泡份额、含汽量、滑速比等)第一章概述1.1热工水力分析的目的和任务①分析燃料元件内的温度分布②分析冷却剂的流动和传热特性③预测在各种工况下反应堆的各种热力参数④分析各种工况下压力、温度、流量等温度参数随时间变化的过程⑤分析事故工况下压力、温度、流量等温度参数随时间变化的过程第二章堆芯材料和热源分布2.1堆芯材料的选择理由⑴核燃料(二氧化铀)优点:①二氧化铀没有同素异形体,在熔点以下整个温度范围内只有一种结晶状态且是各向同性,不会像金属铀一样发生发生长大现象;②熔点高,使用温度范围大,为现在和将来的先进反应堆提供了达到高效率的可能③在高温水和液态钠中具有良好的耐腐蚀性能④与包壳材料(如锆-4、不锈钢等)相容性好缺点:导热性差和在热梯度或热震下的脆性等。⑵包壳材料(锆合金、不锈钢和镍合金)Ⅰ锆合金优点:热中子吸收截面小、在压水堆工作条件下具有较好的机械性能和抗腐蚀性能。常用的有锆-4、锆-2合金缺点:有吸氢脆化趋势,当燃料包壳内的含氢量达到一定限度后、包壳的机械性能会明显恶化。Ⅱ不锈钢和镍合金优点:在400-800℃的温度范围内,对水、液态金属和气体都具有良好的耐腐蚀性。缺点:热吸收截面比锆合金大,但机械性能、物理性能和抗腐蚀性差不多⑶冷却剂(水和重水、钠、氦气)Ⅰ水和重水优点:具有良好的热物性,价格便宜、使用方便,输送功率小缺点:①沸点低,为使高温水保持液态,一回路设备包括反应堆本体须在高压下运行②存在临界沸腾问题,使得提高堆内释热功率的可能性受到限制③水在高温下的腐蚀作用相当强,因此同高温水相接触的设备和部件须用耐腐蚀的高强度材料制造,如锆合金、不锈钢等Ⅱ钠(多用于快中子堆)优点:①极优的传热性能,反应堆在高热流工况下运行时不会产生类似于用水冷却时出现的沸腾临界问题;②熔点低,沸点高,采用低的压力系统就可以得到高的冷却剂温度;③具有较高的导电性和特别好的流动性,使得系统中的输送问题变得比较简答,可以应用完全封闭的交流或直流电磁泵缺点:①钠与水会发生剧烈的反应,如果反应是发生在一个有限的空间内,将会产生爆炸;②温度梯度质量迁移,由于固体材料在钠中的溶解度随温度变化,造成系统高温区的显著腐蚀和低温区的堵塞③金属的扩散结合―自焊,造成泵与阀门这类零件的失灵④存在着由反应性正空泡效应引起的控制与安全问题。Ⅲ氦气(多用于高温气冷堆和快堆)优点:氦气不活化,无相变,又是惰性气体。纯净的氦气在高温下不腐蚀设备和管道,且具有良好的传热性能缺点:因运行压力和流量大而消耗功率大,价格昂贵,泄露问题等2裂变能的释放特点(铀-235一次共释放约2Mev)瞬发:裂变碎片的动能、裂变中子的动能、缓发γ射线的能量缓发:裂变产物的衰变能(γ、β射线)、中微子能量3热功率计算原理单位体积内的体积释热率qv是堆芯(主要是元件和慢化剂)的释热占堆总释热的份额整个堆芯释出的热功率N0=1.6021×01010VNEFffa千瓦反应堆释出的热功率为010106021.1VNENfft4堆芯功率分布、影响因素⑴功率分布⑵影响因素⑴燃料布置对功率分布的影响⑵控制棒对功率分布的影响⑶水隙及空泡对功率分布的影响⑷燃料元件的自屏蔽对燃料元件内功率分布的影响⑸反射层的影响5停堆后的释热组成、变化特点组成:①燃料棒内储存的显热②剩余中子引起的裂变产生的热量③裂变碎片的衰变热量④中子俘获产物的衰变热量变化特点:停堆1h内的剩余功率由停堆前功率决定:主要由①②组成;停堆1h以后的剩余功率由反应堆运行时间决定:裂变产物是否已经达到平衡。第三章核动力装置传热学基础1导热基本定律、导热微分方程的基本形式⑴傅里叶定律热流量dxdtA(W),热流密度dxdtAq(W/m2)⑵导热微分方程的基本形式cQtct2▽圆柱形的拉普拉斯算子2边界条件一类边界条件:规定了边界上的温度值。第二类边界条件:规定了边界上的热流密度。第三类边界条件:规定了边界上物体与周围流体间表面传热系数h以及周围流体的温度Tf3棒状燃料元件导热计算、热阻的概念⑴有内热源的芯块温度场当温度不随时间变化时其径向的导热微分方程为to为中心温度,tu为边界,qv温度体积释热率,q表面热流密度,q1线功率*平板形燃料芯块的温度场,忽略轴向导热⑵无内热源的包壳的温度场①平板形包壳有dxdtkqc,经积分可得cccscikqttq表示包壳表面热流密度,δc表示包壳厚度,κc表示包壳热导率,tci包壳内表面温度②圆筒形包壳有,②颗粒燃料涂层温度场边界条件r=r1,t=t0;r=r0,t=t1;4对流传热的基本概念、求解方法对流换热:流体所接触的固体壁面之间的换热牛顿冷却定律q=hΔt㈠单相对流换热根据Nu=hl/λ求取h①强迫对流换热圆形通道内Nu=0.0238.0RenPr加热流体n=0.4,冷却流体n=0.3,并且410Re≤5102.1,0.6Pr≤120,L/D≥50水纵向流过平行棒束时②自然对流换热:由流体内部密度梯度引起的流体的运动对于正方形栅格,当1.1≤p/d≤1.3,c=0.042p/d-0.024;对于三角形栅格,当1.1≤p/d≤1.5,c=0.026p/d-0.006㈡流动沸腾换热①大容积沸腾:由浸没在具有自由表面原来静止的大容积液体内的受热面所产生的沸腾特点:液体的流速很低,自然对流起主导作用,压水堆中冷却剂丧失事故末期②流动沸腾:指流体流经加热通道时发生的沸腾特点:液体的流速较高,强迫对流起主导作用,沸水堆,压水堆正常工况沸腾曲线:橫管壁面过热度和热流密度的关系曲线通常称为沸腾曲线核态沸腾传热:蒸发管内小汽泡不断在管子内壁上的汽化核心上产生和离开的正常传热模式。沸腾临界:当热流密度达到由泡核沸腾转变为膜态沸腾所对应的值时,加热表面上的气泡很多,以致使很多气泡连成一片,覆盖了部分加热面。达到沸腾临界时的热流密度称为临界热流密度。过渡沸腾传热:加热表面上任意位置随机存在的一种不稳定膜态沸腾和不稳定核态沸腾的结合,是一种中间传热方式膜态沸腾传热:在加热表面形成稳定的蒸汽膜层,q随温差的增加而增大,且该传热区的加热表面主要通过辐射和强迫对流向蒸汽传热,也通过液体与壁面之间的相互作用向液体传热。就流动沸腾而言,膜态沸腾可分为反环状流和弥散流两种流型5无量纲数Re、Pr、Nu、Gr①Re=uι/ν,惯性力与粘滞力之比;(u,流速;v为动力粘度;l换热表面特征长度)②Pr=v/a=vρc/λ,动量扩散能力与热量扩散能力之比③Nu=hl/λ,表示壁面外法线无量纲温度梯度大小,反应对流换热强弱④Gr=gα△t3l/3v,浮升作用力的相对大小,6特征长度(水力、加热)水力直径:四倍的湿横截面面积与湿圆周长度之商,对应Re:4A/D热力直径:四倍的湿横截面面积与传热圆周长度之比,对应Pr:4A/De7沸腾传热的定义、种类、现象、流型和特点⑴定义:液体与温度高于其饱和温度的壁面接触被加热产生汽泡的过程称为沸腾传热⑵种类:①大容积沸腾:加热面沉浸在无宏观流速的液体表面下所产生的沸腾过冷大容积沸腾——液体整体温度低于其饱和温度的沸腾饱和大容积沸腾——液体整体温度达到其饱和温度的沸腾②流动沸腾:液体以一定流速在加热圆管内(或其他形状截面通道内或壁面上)流动时的沸腾(过冷流动沸腾、饱和流动沸腾)汽泡动力学机理:存在汽化核心、生成汽泡、气泡长大、脱离壁面、带走热量、新汽泡形成、搅动液层、伴随对流换热⑶现象:(大容积沸腾)六段+一点①OA段:单相自然对流传热;未生成气泡②AB段:泡核沸腾起始阶段;少量气泡生成,快速脱离加热面;传热主要通过自然对流及气泡脱离搅动③BC段:泡核沸腾;大量气泡生成,快速脱离加热面;传热主要通过气泡带走的汽化潜热及对流体的搅动④)C点:偏离泡核沸腾点(DNB);大量气泡生成并连成汽膜;传热完全靠经汽膜的导热发生沸腾危机,对应热流密度为临界热流密度CHF⑤CD段:过渡沸腾(部分膜态沸腾);气泡周期地连成汽膜或破灭;传热完全靠汽膜导热⑥DE段:稳定膜态沸腾;气泡连成汽膜;传热靠汽膜导热+辐射传热,h比泡核沸腾小得多⑦)EF段:膜态沸腾加辐射传热工况;气泡连成汽膜;辐射传热占主导⑷流型:单相流:层流和湍流;两相流用:相分布→流型(泡状流、弹状流、环状流和滴状流等)①绝热流道中垂直向上流动的流型(泡状流、弹状流、搅拌流、环状流、液束环状流)②绝热流道中水平流动的流型:泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流、环状流泡状流:液相是连续相,汽相以气泡的形式弥散在液相中,两相同时沿通道流动。(多发生在过冷沸腾区和饱和沸腾低含汽量区)弹状流/块状流/塞状流:它是柱状气泡和块状液团在通道的中心部分交替出现的流动。(是泡状流向环状流过渡区域,一般出现在饱和沸腾中等含汽量区)环状流:液相在壁管上形成一个环形的连续流,而连续的汽相则在管道的中心部分流动,在液环中还弥散着气泡,在汽相中也夹带着液滴。(多发生在饱和沸腾高等含汽量区;液相在管壁,汽相在中心,反之为反环状流)滴状流:通道内的流体变成许多细小的液滴悬浮在蒸汽主流中随着蒸汽流动。⑸特点①单相对流传热区:A区②泡核沸腾区——过冷泡核沸腾区:B区;——饱和泡核沸腾区:C和D区③两相强迫对流区:E和F区④缺液区:G区液膜完全蒸发→壁面内温度急剧增加:发生烧干,沸腾危机;⑤单相蒸汽对流区:H区8沸腾危急特点:由于沸腾机理的变化引起的换热系数的陡降,导致受热面的温度骤升(1)低含汽量的偏离泡核沸腾(DNB)。(2)高含汽量区的液膜“干涸”或烧干9临界热流密度⑴定义:在沸腾曲线上出现的第一个转折点处的热流密度称为临界热流密度CHF⑵应用:①判别从泡核沸腾向过渡沸腾的转折点,以区分该转折点前后的传热工况及计算过渡沸腾的传热系数②根据最小临界热流密度比(DNBR)来评价反应堆的安全性,需要准确计算临界热流密度值⑶对应流型:实验表明,在流动沸腾条件下,可以在泡状流、弹状流和环状流区域发生临界热流密度现象⑷发生临界热流密度的特点:①当加热系统的加热控制变量为热流密度时,发生临界热流现象的特征为系统任一参数(如G,Tf)稍有变化便导致加热表面温度反常升高;②当加热系统受温度控制加热时,发生临界热流现象的特征为系统任一参数稍有变化便引起加热面上某处的表面热流密度反常减少⑸临界热流密度的主要影响因素:①冷却剂的质量流速②进口处水的过冷度③工作压力④通道入口段长度⑤加热表面粗糙度第四章反应堆内稳态传热分析1积分热导率的概念和原理:均匀体积热源若温度场不随时间变化且忽略轴向、轴向导热,则有代入边界条件后即可得到温度场分布⑴燃料导热圆柱形燃料芯块平板形燃料芯块212ln4uqTrCrCqqRTuu14uuRqRTuu22uusRb()(0)cosezqzqL)()(zqzqavdzzqdTmCp)(dzzqmdh)(,(0)()sin2lellinpeTqLzTzTmcL燃料芯块温度降与圆柱形燃料芯块的表面半径无关。该温降仅仅与其线功率密度q′和燃料的热导率有关。燃料芯块温度降与平板形燃料芯块的厚度成正比,与宽度成反比⑵气隙导热圆柱形燃料棒:平板形燃料:⑶包壳导热元件包壳表面到冷却剂的温度降表达式⑷元件径向总温降线功率密度积分导热率:是随温度变化的燃料芯块的热导率从表面温度到中心温度的积分,其单位为W/cm。一般形式圆柱形:;平板形:2堆芯轴向温度场的分析和分布形态⑴冷却剂输热方程冷却剂输热方程冷却剂输热过程:在冷却剂流经堆芯的过程中,把从燃料元件表面传入冷却剂的热量带出堆外的过程元件的线热流密度输热方程冷却剂不沸腾冷却剂沸腾⑵冷却剂轴向温度场①单相冷却剂温度场②沸腾时冷却剂温度场⑶燃料元件轴向温度场①包壳外表面温度场②包壳内表面温度场1ln2cicsccsccciTTTqdRd2cccccqqTb2csl