一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法
【专利摘要】本发明公开一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，步骤：(1)在铅铋管路中安装测温元件，通过测温元件对冷侧流体与热侧流体的温度分别进行测量，分别得到冷侧流体的温度T1和热侧流体的温度T2，(2)根据铅铋流体密度拟合公式以及T1和T2，得到T1和T2温度下铅铋流体的密度ρ1和ρ2；(3)对现有的浮升力公式、惯性力公式和体胀系数公式进行拟合，得到无量纲准则数公式；(4)将ρ1、ρ2带入无量纲准则数公式，计算出无量纲准则数；(5)当无量纲准则数＜1，铅铋流体热分层现象不存在，当无量纲准则数＝1时，铅铋流体开始出现热分层现象，当无量纲准则数＞1时，铅铋流体有热分层现象，随着无量纲准则数的增大，热分层现象变得更稳定。
【专利说明】一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核安全和热工流体计算领域，具体涉及到铅铋流体热分层现象算法。【背景技术】
[0002]加速器驱动的次临界堆(ADS)是最有前景的分离-嬗变技术之一，理想的长寿命放射性废物焚烧炉。铅铋合金(LBE)的熔点低、沸点高，具有良好的中子学性能、传热性能，与水接触不发生剧烈反应等，已成为目前ADS设计中散裂靶兼冷却剂的首选材料。ADS主要由强流质子加速器、外源中子产生器、次临界反应堆和电力输出系统构成。铅铋实验回路的设计及实验研究，铅铋合金物理化学性质及热工水力特性研究，对保障整个ADS系统的安全运行有重要意义。
[0003]然而铅铋回路在重力方向上由于温度的不同而引起的流体密度的差异，造成冷流体处于下方，热流体处于上方的现象称为热分层现象。热分层现象是引起热疲劳的主要原因，铅铋热分层现象对ADS系统热工水力产生重要影响，伴随第四代先进堆的研发，热分层问题研究应受到足够重视。局部热应力产生周期性变化会导致热疲劳损坏等将严重影响反应堆安全。在核能领域中，每次启堆与停堆，设备管道的热疲劳现象都会直接影响到反应堆的安全性。T.muramatsu指出，快堆停堆后，上腔室内会产生热分层现象，对反应堆容器以及容易内部构件造成巨大的热应力。为了防止这种现象，世界各国核电站都采取了相应措施，如日本根据“电气事业法”规定了热应力的上限。国内外对铅铋的热分层现象热分层以及热疲劳现象的研究尚处于起步阶段，但是对水的热分层现象已经有了较多的研究，其中国外以日本、法国、美国居多。在日本，奥四恭令根据核电站发生的事例，对温度变化的原因和故障发生时设备的状态以及事例的特征进行了调整，将其分成了 7种形态并一一解答，其中形态1、3、4、5都是热分层现象。形态I为主管道向支管道的流入，主管道的热流体会对支管中的冷水产生一定的穿透作用，并在底层发生热分层现象。形态3为高温水与低温水混合，会产生层分离现象。形态4阀门的密封渗透引起流体的渗入，造成热分层现象。形态5为隔离存在温差阀泄露时，阀座的泄露引起热分层现象；日本PNC的专家也开发了一种程序AQUA,来模拟和评估热分层现象以及对结构的影响。在法国，法国H.0hshima将金属快中子增殖堆中温度波动现象集中分析4种问题:热分层，热疲劳，堆芯-空腔的耦合作用和自由液面的晃动；Nubu0.nakamori搭建了试验台架,对核电厂的安注系统直管的热分层现象进行了研究。美国人D.tenchine对钠冷快堆某些部位的热疲劳进行了研究。在国内，陈丽程，卢冬华对水的热分层做了流场模拟，改进了传统的模化方法。然而对于热分层现象的判断还存在以下问题:
[0004]第一、目前国内外对铅铋流体的热分层现象的研究尚处于初级阶段，例如:P.agostini等对一维的铅秘自然循环进行了实验。Sehgal等针对TALL实验回路进行了铅铋的热工水力实验。W.Ambrosini等在PIZZA回路进行了氩气注入影响铅铋流量的实验。Weimin Ma等对重金属回路的自然循环稳态进行了研究。吴宜灿等国内利用KYLIN-1回路首次开展了“加速器驱动次临界堆(ADS)结构材料(316L、TP91、CLAM钢等)在液态流动铅铋中的腐蚀服役性能”实验研究，为ADS材料服役性能研究提供可靠的实验数据。G.Coccoluto等对NAICE回路采用实验研究了注入IS气增强铅秘自然循环流量。
A.V.Besnosov等对高温下的铅和铅铋流体的速度场和温度场进行了实验研究，实验段为环形和圆形；
[0005]第二、现有技术中，对热分层现象的判断仅仅依靠利用体胀系数的经验值进行判断，然而传统判断方法需要测量铅铋流体的体积，在循环中的铅铋流体的体积是不易测量的，增加了测量的难度；
[0006]由于上述问题的存在，本发明人对现有技术进行研究和改进，以便能研究出快速、高效、便捷并且不依赖于传统的体胀系数的经验值进行计算的一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法。
【发明内容】
[0007]为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现:对国内外学者所拟合的铅铋流体密度进行了再拟合，减小了铅铋流体在某一温度下密度的误差。通过查图的方式，得到该温度下铅铋流体的 密度，再利用计算程序直接判定铅铋流体是否发生热分层现象，简化了计算，也可以不利用体胀系数的经验值，得到体胀系数的精确值，增加了整个计算的精度。从而完成本发明。
[0008]本发明的目的在于提供以下方面:
[0009]第一方面、一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，其特征在于:该方法包括以下步骤:
[0010](I)在铅铋管路中安装测温元件，通过测温元件对冷侧流体与热侧流体的温度分别进行测量，分别得到冷侧流体的温度T1和热侧流体的温度T2,
[0011](2)根据铅铋流体密度拟合公式以及T1和T2,分别得出在T1和T2温度下铅铋流体所对应的冷侧流体密度P 1和热侧流体密度P2;其中，所述铅铋流体密度拟合公式如下所示:
[0012]P LBE = 11113.6-1.34.T
[0013]其中，T为温度，其单位是K，P LBE为铅铋流体密度，其单位是kg/m3 ；
[0014](3)对浮升力公式、惯性力公式和体胀系数公式进行拟合，得到无量纲准则数公
式，所述无量纲准则数公式为?
【权利要求】
1.一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: (1)在铅铋管路中安装测温元件，通过测温元件对冷侧流体与热侧流体的温度分别进行测量，分别得到冷侧流体的温度T1和热侧流体的温度T2, (2)根据铅铋流体密度拟合公式以及T1和T2,分别得出在T1和T2温度下铅铋流体所对应的冷侧流体密度P 1和热侧流体密度P2，其中所述铅铋流体密度拟合公式如下所示:
P LBE = 11113.6-1.34.T 其中，T为温度，其单位是K，P LBE为铅铋流体密度，其单位是kg/m3 ； (3)对浮升力公式、惯性力公式和体胀系数公式进行拟合，得到无量纲准则数公式，所
述无量纲准则数公式为? ^
2.如权利要求1所述的一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，其特征在于: 在步骤(2)中，根据铅铋流体密度拟合公式绘制得到铅铋流体的密度图，并根据该图以及T1和T2,分别得出在T1和T2温度下铅铋流体的密度P i和P 2。
3.如权利要求1所述的一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，其特征在于:步骤(I)中的测温元件为热电偶。
4.如权利要求1所述的一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，其特征在于:在步骤(3)中，通过浮升力公式和惯性力公式进行拟合得到Ri合成公式，Ri合成公式再与体胀系数公式进行拟合，得到上述无量纲准则数公式。
5.如权利要求4所述的一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，其特征在于:所述浮升力公式为
6.如权利要求4所述的一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，其特征在于:所述惯性力公式为
7.如权利要求4所述的一种判定铅铋流体发生热分层现象的方法，其特征在于:所述体胀系数公式为
【文档编号】G06F19/00GK103971010SQ201410211548
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】周涛, 李云博, 霍启军, 宋明强 申请人:华北电力大学