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基于无量纲准则数的整体效应试验数据适用性验证方法探究

张雪艳 邓程程 朱东来 陈伟 丁书华 杨军

张雪艳, 邓程程, 朱东来, 陈伟, 丁书华, 杨军. 基于无量纲准则数的整体效应试验数据适用性验证方法探究[J]. 核动力工程, 2022, 43(1): 64-71. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.01.0064
引用本文: 张雪艳, 邓程程, 朱东来, 陈伟, 丁书华, 杨军. 基于无量纲准则数的整体效应试验数据适用性验证方法探究[J]. 核动力工程, 2022, 43(1): 64-71. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.01.0064
Zhang Xueyan, Deng Chengcheng, Zhu Donglai, Chen Wei, Ding Shuhua, Yang Jun. Research on Verification Methodology of Applicability of Integral Effect Test Data Based on Dimensionless Criterion Numbers[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(1): 64-71. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.01.0064
Citation: Zhang Xueyan, Deng Chengcheng, Zhu Donglai, Chen Wei, Ding Shuhua, Yang Jun. Research on Verification Methodology of Applicability of Integral Effect Test Data Based on Dimensionless Criterion Numbers[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(1): 64-71. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.01.0064

基于无量纲准则数的整体效应试验数据适用性验证方法探究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.01.0064
基金项目: 国家自然科学基金(0214120048);华中科技大学自主创新研究基金(5003120076)
详细信息
    作者简介:

    张雪艳(1995—),女,在读博士研究生,主要从事反应堆比例模化分析方面的研究,E-mail: xueyanzhang@hust.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Research on Verification Methodology of Applicability of Integral Effect Test Data Based on Dimensionless Criterion Numbers

  • 摘要: 在进行核反应堆与核动力装置安全性评估的过程中,一般需要基于相似比例法则建立整体效应试验(IET)或分离效应实验(SET)台架,为安全性能验证与评估提供数据支撑。作为衡量比例相似程度的重要参数,无量纲准则数可以对特定物理现象做出独立于台架特性、装置尺寸等的表征,因此可以用于比例设计的合理性验证以及实验数据的适用性评估。对无量纲数的跨台架应用可以避免过量重复性实验,也可辅助评估单一台架未能准确复现的某个物理现象。为了探索无量纲数在比例分析和实验数据适用性评估中的应用方法和原则,本文针对传统压水堆的小破口失水事故(SBLOCA),基于RELAP5数值模拟结果,使用自上而下的比例分析方法对整体效应试验台架LOFT和LOBI进行无量纲参数计算和数据对比。分析结果表明,与破口质量流出、堆芯衰变热、一回路压力等重要现象和参数相关的无量纲数跨台架吻合较好;而与回路摩擦阻力、回路浮升力等相关的无量纲数比率有较大失真。本文采用的无量纲分析方法预期可用于同类型试验台架的实验数据互验,并为新堆型的开发和验证提供参考。

     

  • 图  1  LOFT [11]一回路节点图

    Figure  1.  Primary Circuit Node Diagram of LOFT [11]

    图  2  LOBI[12]和一回路节点图

    Figure  2.  LOBI[12] and Primary Circuit Node Diagram

    图  3  饱和场和过冷场流域划分原理图[6]

    Figure  3.  Schematic Diagram of Flow Field Division of Saturation Field and Supercooling Field

    图  4  单饱和场流域划分原理图[6]

    $\dot{Q}_{\rm{net}} $—系统净吸热量,$\dot{m}_{\rm{break}} $—通过破口流失的质量流量

    Figure  4.  Schematic Diagram of Flow Field of Single Saturation Field

    图  5  LOFT和LOBI时间划分

    Figure  5.  Time Division of LOFT and LOBI

    图  6  LOFT L3-5前200 s一回路空泡份额

    Figure  6.  LOFT L3-5 First 200 s Primary Circuit Void Fraction      

    图  7  LOFT L3-5一回路压力

    Figure  7.  LOFT L3-5 Primary Circuit Pressure

    图  8  LOBI BL-02前340 s一回路空泡份额

    Figure  8.  LOBI BL-02 First 340 s Primary Circuit Void Fraction     

    图  9  LOBI BL-02一回路压力

    Figure  9.  LOBI BL-02 Primary Circuit Pressure

    图  10  LOFT L3-5工况过渡段液位及气相流速

    Figure  10.  Liquid Level and Gas Phase Flow Rate in Transition Sectionin under LOFT L3-5 Condition

    图  11  LOBI BL-02工况过渡段液位及气相流速

    Figure  11.  Liquid Level and Gas Phase Flow Rate in Transition Sectionin under LOBI BL-02 Condition

    图  12  LOFT L3-5破口和安注流量

    Figure  12.  Break and Safety Injection Flow Rate of LOFT L3-5

    图  13  LOBI BL-02破口和安注流量

    Figure  13.  Break and Safety Injection Flow Rate of LOBI BL-02

    表  1  LOFT和LOBI初始条件

    Table  1.   Initial Conditions of LOFT and LOBI

    初始条件参数LOFTLOBI
    功率/MW 49±1 5.28
    一回路压力/MPa 14.86±0.14 15.8
    冷管段温度/K 558±1 567.15
    破口大小/% ~1 3
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    表  2  LOFT和LOBI比例因子对比

    Table  2.   Comparison of Scaling Factors of LOFT and LOBI

    参数(台架/原型堆)LOFTLOBI
    总功率比 0.013 0.001
    总水装量比 0.02 0.002
    高度比 0.5 1
    压力比 0.969 0.969
    环路数比 0.5 0.5
    功率/体积比 0.6 0.6
    时间比 1 1
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    表  3  无量纲数/系数的定义[6]

    Table  3.   Definition of Dimensionless Numbers/Coefficient[6]

    参数表达式物理意义
    ${M^ * }$ $ {M / {{M_0}}} $  无量纲质量
    ${t^*}$ ${t / {{t_0}}}$  无量纲时间
    $\dot m_{{\text{break}}}^{\text{*}}$ ${\dot m_{{\text{break}}}}/{\dot m_{{\text{break,0}}}}$  无量纲质量流量
    ${P^{\text{*}}}$ $ {P / {{P_0}}} $  无量纲压力
    $I_{{\text{b,l}}}^{\text{*}}$ ${{{I_{{\text{b,l}}}}} / {{I_{{\text{b,l,0}}}}}} = {{{{\dot m}_{{\text{break}}}}({h_{{\text{out}}}} - {u_{\text{l}}})} / {{{\dot m}_{{\text{break,0}}}}{{({h_{{\text{out}}}} - {u_{\text{l}}})}_0}}}$  质量外流引起无量纲液体能量变化
    $I_{{\text{c,m}}}^{\text{*}}$ ${{{I_{{\text{c,m}}}}} / {{I_{{\text{c,m,0}}}}}} = {{{{\dot q}_{{\text{net,m}}}}} / {{{\dot q}_{{\text{net,m,0}}}}}}$  无量纲传热率
    $II_{\text{l}}^{\text{*}}$ $ {{I{I_{\text{l}}}} / {I{I_{{\text{l,0}}}}}} = {{{v_{\text{l}}}\left( { - {{\dot m}_{{\text{break}}}}} \right)} / {{v_{{\text{l,0}}}}\left( { - {{\dot m}_{{\text{break}},0}}} \right)}} $  质量外流引起无量纲液体体积变化
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    表  4  水封清除阶段静压液位 m

    Table  4.   Static Pressure Level in Seal Clearing Phase

    液位含义说明LOFT L3-5LOBI BL-02
    LCUP,0  堆芯坍塌液位参考值 3.3843031 4.1129603
    LDC,0  下降通道液位参考值 4.588439 5.9365168
    LSGU,0  SG上升段液位参考值 8.8605458×10−1 1.8020197
    LLCU,0  过渡段到冷段水封液位参考值 1.3761617×10−4 3.0225303×10−5
    LSGD,0+LLSD,0  SG下降段及过渡段水封下降段液位之和参考值 5.6662928×10−2 7.3722704×10−2
    LCUP,min  堆芯最低水位 3.0335832 2.8287368
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    表  5  各阶段无量纲数的量化结果

    Table  5.   Quantitative Results of Dimensionless Numbers at Each Stage

    事故进程无量纲数表达式含义说明LOFT L3-5LOBI BL-02 πR
    喷放阶段 Ψ2 $\dfrac{{{C_{{\text{1,l,0}}}}\left( {{h_{{\text{break}}}} - {u_{\text{l}}}} \right){{\dot m}_{{\text{break}},0}}{t_0}}}{{{P_0}}}$  质量外流引起过冷场的压力变化量占基准压力的比 −3.928×10−1 −5.938×10−1 0.66
    Ψ6 $\dfrac{{{C_{{\text{1,m,0}}}}{{\dot q}_{{\text{net,}}0}}{t_0}}}{{{P_0}}}$  饱和场内热源引起的压力变化量占参考压力的比 4.624×10−1 2.444×10−1 1.89
    Ψ10 $\dfrac{{{C_{2,0}}{v_{{\text{l,0}}}}{{\dot m}_{{\text{break,0}}}}{t_0}}}{{{P_0}}}$  破口外流导致比体积变化造成压力变化与参考压力的比 −4.345×10−2 −7.194×10−2 0.60
    Ψ13 $\dfrac{{{{\dot m}_{{\text{break}},0}}{t_0}}}{{{M_0}}}$  破口质量流量与参考质量流量之比 1.576×10−1 2.566×10−1 0.61
    自然循环阶段 Ψ5 $\dfrac{{{C_{{\text{1,m,0}}}}({h_{{\text{out}}}} - {u_{\text{m}}}){{\dot m}_{{\text{break,0}}}}{t_0}}}{{{P_0}}}$  质量外流引起饱和场的压力变化量占基准压力的比 −1.352 −1.407 0.96
    Ψ6 $\dfrac{{{C_{1,m,0}}{{\dot q}_{{\text{net,0}}}}{t_0}}}{{{P_0}}}$  饱和场内热源引起的压力变化量占参考压力的比 1.576 8.264×10−1 1.91
    Ψ11 $\dfrac{{{C_{2,{\text{m}},0}}{v_{{\text{m}},0}}{{\dot m}_{{\text{break,}}0}}{t_0}}}{{{P_0}}}$  破口外流导致比体积变化造成压力变化与参考压力的比 −7.928×10−2 −9.681×10−2 0.82
    Ψ13 $\dfrac{{{{\dot m}_{{\text{break}},0}}{t_0}}}{{{M_0}}}$  破口质量流量与参考质量流量之比 3.773×10−1 8.252×10−1 0.46
    ${N_{\vartriangle {P_0}}}$ $\dfrac{{{P_{{\rm{o}},0}} - {P_{i,0}}}}{{{P_0}}}$  堆芯进出口压力差(环路阻力) 2.002×10−4 1.9822×10−3 0.10
    ${N_{{\text{R}}i}}$ $ \dfrac{{\displaystyle \sum \nolimits_j \left( {{\rho _{_{{\text{l,sat}}}}} - {\rho _{_{{\text{m}},i}}}} \right)g{L_{i}}}}{{\dfrac{1}{2}{\rho _{_{{\text{l,0}}}}}v_{{\text{l,0}}}^{\text{2}}}} $  自然循环回路的浮升力 4031.142 21487.665 0.19
    水封清除阶段 Ψ5 同自然循环阶段(单饱和场) −6.792×10−2 −9.265×10−2 0.73
    Ψ6 1.237×10−2 5.88110−3 2.10
    Ψ11 −3.10810−3 −5.02310−3 0.62
    Ψ13 1.717×10−2 4.235×10−2 0.41
    Π1 $\dfrac{{{L_{{\text{DC,0}}}}}}{{{L_{{\text{CUP,0}}}}}}$  下降通道液位/堆芯坍塌液位的静压液位 1.356 1.443 0.94
    Π2 $\dfrac{{{L_{{\text{SGU,0}}}}}}{{{L_{{\text{CUP,0}}}}}}$  SG上升段液位与堆芯坍塌液位的静压液位比 2.618×10−1 4.381×10−1 0.60
    Π3 $\dfrac{{{L_{{\text{LSU,0}}}}}}{{{L_{{\text{CUP,0}}}}}}$  过渡段到冷段水封液位与堆芯坍塌液位的静压液位比 4.066×10−5 7.349×10−6 5.53
    Π7 $\dfrac{{{L_{{\text{SGD,0}}}} + {L_{{\text{LSD,0}}}}}}{{{L_{{\text{CUP,0}}}}}}$  SG下降段过渡段水封液位和与堆芯坍塌液位静压液位比 1.674×10−2 1.792×10−2 0.93
    $L_{{\text{CUP,0}}}^{\text{*}}$ $\dfrac{{{L_{{\text{CUP,min}}}}}}{{{L_{{\text{CUP,0}}}}}}$  堆芯的最低水位与堆芯坍塌液位的静压液位比 8.964×10−1 6.878×10−1 1.30
    水蒸发阶段 Ψ5 同自然循环阶段(单饱和场) −4.201 −6.592×10−1 6.37
    Ψ6 2.415×10−1 7.544×10−2 3.20
    Ψ11 −1.797×10−1 −3.197×10−2 5.62
    Ψ13 1.186 4.638×10−1 2.56
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-04
  • 修回日期:  2021-08-09
  • 刊出日期:  2022-02-01

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