绪论
1.1 研究背景和意义
反应堆冷却剂系统，又称为一回路系统。将反应堆系统中堆芯核裂变放出的热能转化为高温饱和蒸汽，并输送到汽轮发电机组转化为电能。给出了 AP1000 反应堆冷却剂系统回路示意图。AP1000 反应堆冷却剂系统有两条环路组成，每条环路包括一台蒸汽发生器、两台反应堆冷却剂泵以及一根冷却剂主管道热管段、两根冷管段，共同组成一条反应堆冷却剂闭式回路。反应堆冷却剂在反应堆冷却剂泵的驱动下流过燃料组件，吸收了核裂变产生的热能后流出反应堆，进入蒸汽发生器，在那里把热量传给二回路的水。从蒸汽发生器出来的主冷却剂再由反应堆冷却剂泵送回反应堆去加热，重复这个过程以持续进行能量转换。一回路系统压降的准确计算是确定反应堆核心设备主泵流量扬程的基础。我国引进美国西屋公司三代堆技术 AP1000，并在此基础上开发具有自主知识产权的新型反应堆的过程中，需要准确预测冷却剂流经各部件所产生的压降有必要对一回路系统中复杂结构的流阻进行试验测量。AP1000 反应堆冷却剂在反应堆压力容器和堆内构件中的流动路线由。
反应堆运行期间，吊兰筒体引导从反应堆压力容器进口接管流入的冷却剂流经下降段环腔，进入下腔室，搅混后冷却剂改变流动方向，向上流过堆芯下支承板进入堆芯。冷却剂离开堆芯后，流经堆芯上板，再流过控制棒导向筒和支撑柱，从出口接管流出。下支承板是压力容器内较为复杂结构，有必要通过试验精确得到其流阻系数。并通过对流经堆芯下支承板局部模型的流场进行可视化，为流阻分析及 CFD 数值模拟提供试验依据。蒸汽发生器是压水堆核动力装置中的重要设备，由下封头、管板、U型管束、汽水分离装置及筒体组件等组成。
来自反应堆的高温冷却剂经进口接管进入入口水室，然后进入 U 型管束，流经传热管时，将热量传给二次侧，冷却剂经出口水室离开蒸汽发生器。蒸汽发生器进出口管嘴为“突扩”和“突缩”结构，一次侧冷却剂流经进出口管嘴时有一定的局部压降，目前我国引进的新型压水堆因采用屏蔽泵，蒸汽发生器的结构发生了很大的变化，由原有蒸汽发生器的一进一出结构变为一进两出的结构，且进出口管嘴为异形件，无法通过理论计算获得其流阻系数，所以对其开展试验和数值分析确定其流动阻力是必要的。随着计算机技术的发展，及 CFD 数值模拟方法逐渐变得成熟，在反应堆的工程设计过程中，CFD 数值模拟方法扮演着重要的角色。针对本文的研究需要，对试验模型分别采用 CFD数值模拟方法进行计算，与试验结果相比对，最终形成一套适用于反应堆一回路系统流阻计算的数值模拟方法。
1.2 国内外相关研究综述
流体在管道中流动是的能量损失不仅有延长度方向的沿程能量损失，而且还有出现在局部管段的局部能量损失。局部能量损失主要是由于通道截面、流动方向出现在局部管段的局部能量损失。局部能量损失主要是由于流通截面、流通方向的急剧变化，引起速度场的迅速改变，增大流体间的摩擦、碰撞及形成漩涡等原因造成的。局部损失的计算问题归结为求解局部损失系数 K（即形阻系数）的问题。过去很长的时间里，对突扩、突缩结构的形阻系数的求解开展了大量的试验研究并取得了很大的进展。迄今为止，国内外文献推荐的计算形阻系数公式有很多。这些形阻系数公式都是以各类试验数据为基础建立的纯理论或纯经验公式，但这些都有一定的适用参数范围。当突然扩大时，在宽截面的管道内形成一股射流，这股射流被分界面与其余的介质分开，它分散并旋卷成强烈的漩涡。
在大约(8-12)D2R(D2R-宽截面的水力直径)的管段长度上，形成了漩涡，漩涡又逐渐消失，流速扩展到整个截面。突然扩大时的冲击损失是l2管段上所指出的涡流形成相联系的。突然扩大管段的阻力能够通过安装导流片而大大的减小，在合理的布置导流片的情况下，损失可减小 35～40%。文献[3]指出，紧接窄截面后安装“袋室”同样能够使突然扩大管段阻力系数显著地减少。原理是：对于扁形管子，“袋室”内形成两个稳定的旋涡。对于圆截面的管子，“袋室”内形成稳定的旋涡环。旋涡形成一种独特的“泵” 。《实用流体阻力手册》中同样指出，当截面突然收缩时，基本上产生与截面突然扩大发生冲击损失的情况相类似的现象。这种损失主要是在从宽截面进入窄截面时受压缩的流速扩张至整个截面是变现出来。并指出，用曲线或直线母线的导流管实现从宽截面到窄截面的平滑过渡的情况下，收缩管段的阻力能够大大的减小。2000 年，门宝辉通过对管道界面突然扩大处的试验指出传统公式中对局部阻力系数的计算为不随流速变化的不足，指出局部阻力系数随着流速变化关系，给出通过实测断面尺寸数据结合理论计算，并经过数据处理，建立起流速与突扩结构形阻系数之间的关系[5]。
2002 年，丁训慎对立式蒸汽发生器一次侧进行了水阻力计算，分别介绍了立式蒸汽发生器一次侧水阻力的计算方法，讨论了摩擦阻力系数和局部阻力系数，对秦山一次蒸汽发生器一次侧水阻力进行了计算，并与电厂在线测量值进行了比较；根据大亚湾核电站蒸汽发生器一次侧水阻力的实际测量值，得到形阻系数[6]。
第二章 试验研究和方法..................9
2.1 试验系统.................9
2.2 试验本体和布置.............12
2.3 试验参数...........24
2.4 试验方法...................25
2.5 数据处理方法................25
2.6 本章小结..................29
第三章 试验结果与分析................30
3.1 堆芯下支承板.................30
3.2 蒸汽发生器进出口管嘴................38
3.3 试验数据不确定性分析............43
3.4 本章小结................47
第四章 堆芯下支承板流场可视化试验与分析..............50
4.1 试验系统.................50
4.2 试验本体和布置..................50
4.3 试验参数.............53
结论
本文主要通过对一盒燃料组件对应的下支承板局部模型的流阻特性的试验研究，得到两种不同入口形式条件下的堆芯下支承板的流阻特征，弄清了不同入口条件对流阻的影响；通过加设燃料组件下管座（简称“下管座”）研究了下管座对下支承板流阻的影响，弄清两个阻力件紧密串接时的总阻力与单独阻力之间的关系；通过对蒸汽发生器进出口管嘴 10:1 比例缩小模型的流阻特性的试验研究，分别得到进口管嘴和出口管嘴的流阻系数；通过加设模拟管板分别研究了模拟管板对进出口管嘴流阻的影响。通过对堆芯下支承板进行可视化试验为流场分析提供试验依据；分别通过对堆芯下支承板和蒸汽发生器进出口管嘴进行数值模拟，分别得到流阻系数与试验结果进行了对比。
堆芯下支承板流场信息与可视化试验结果进行了对比分析，研究了蒸汽发生器进口管嘴角度和出口接管压力差对流阻和流量的影响并通过数值模拟。蒸汽发生器进出口管嘴串接模拟管板后，进口管嘴进口水室截面处压差表测量压差所得流阻系数 K 比安装模拟管板前减小 3.8%，达到 0.79；出口管嘴出口水室截面处压差表测量压差所得流阻系数 K 比安装模拟管板前减小 9.1%，达到 0.20。模拟管板对进出、口管嘴流阻测量影响较大，实际测量过程中不可忽略管板的影响。
参考文献
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