膜态沸腾下高温颗粒热动力特性理论分析

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1、万方数据第38卷增刊原子能科学技术V01．38，Suppl．2004年7月AtomicEnergyScienceandTechnologyJuly2004膜态沸腾下吉0日同illn．颗粒热动力特性理论分析李小燕，尚智，杨燕华，徐济鏊(上海交通大学核科学与系统工程系，上海200030)摘要：对膜态沸腾条件下冷液中运动高温球传热阻力耦合特性理论模型进行了分析，以液膜质量、动量和能量守恒方程为基础，结合对高温颗粒在冷却剂中运动的详细受力分析，提出了一个基于特殊复合结构的高温颗粒在冷却剂中运动的传热阻力数

2、学物理模型。对该模型进行数值分析求解，得到高温颗粒下落速度的理论计算值，并与实验值进行了比较。关键词：数学物理模型；高温颗粒与冷却剂相互作用；受力分析；膜态沸腾中图分类号：TL33文献标识码：A文章编号：1000—6931(2004)SO一0034—03AModelofFilmBoilingThermalHydraulicsonaHotParticleDroppinginCoolantLiquidLIXiao—yan，SHANGZhi，YANGYan—hua，XUji—jun(Department

3、ofNuclearScienceandSystemEngneeHng，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China)Abstract：Thepaperanalysisthetheoreticalmodelforheatanddynamiccharacteristicofahotparticlemovingincoolantliquidunderfilmboilinganddevelopsamathematicalmodelonthebaseofth

4、emass，momentumandenergyconversationequationsofliquidfilm．Atthesametime，theanalysisofforcesonahigh—temperaturespherewithavaporfilmmovingincoolantliquidispresented．Atlast，thecomparisonoftheexperimentaldataandcalculateddataispresented．Keywords：theoretica

5、lmodel；high—temperatureparticlescontactwithlow—temperatureliquid；forceanalysis；filmboiling燃料与冷却剂相互作用(简称FCI)是核反应堆严重事故分析所要研究的一个重要现象。快中子增殖反应堆(LMFBR)的堆芯破坏事故(CDA)和轻水堆的堆芯融熔事故中均存在FCI现象。近年来，这一多相、多组分高速传热传质现象受到了各国学者广泛关注[1’2]。本实验室自行设计建立了一套针对FCI预混合阶段的工程热物理实验台架。初步

6、进行了50组单个颗粒或少量颗粒的小规模实验[3]，得到大量有用的信息，如高温颗粒下落速度明显低于冷球；高温颗粒在水中的下落呈减速运动；体积较大的高温球下落速度比同样条件的小球快；颗粒收稿日期：2000—04—15；修回日期：2004—06—13基金项目：国家自然科学基金资助项目(50376036)作者简介：李小燕(1970)，女，浙江嘉善人，讲师，博士研究生，反应堆工程与安全专业万方数据增刊李小燕等：膜态沸腾下高温颗粒热动力特性理论分析35直径越小，汽泡脱离的速度越快；锆球夹带空气严重等。目前，这

7、一现象的机理尚不清楚，为揭示影响高温颗粒下沉速度的主要因素，需结合对汽膜的生长和传热特性作详细实验和理论研究。对该现象的认识，可以归结为两个问题：其一，作用在下落的高温颗粒上的各分力随温度降低，其权重时变的过程，除重力外，其它力是温度的函数，当颗粒完全冷却成常温颗粒，它在水中的受力符合一般规律，即达到自由沉降速度时，重力和阻力相等；其二，具有内热源的物体传热阻力耦合特性。高温颗粒是由一层蒸汽膜包裹形成特殊的复合结构，本工作在观察所做实验基础上从基本的描述方程人手，研究提出一基于特殊复合结构的高温颗

8、粒在冷却剂中运动的传热阻力模型，即膜态沸腾下高温颗粒热动力模型。l模型假设膜态沸腾下高温颗粒热动力模型基于以下假设：1)高温颗粒为球形，液体冷却剂是不可压缩的，静止的；2)汽膜沿高温颗粒y向对称分布，在非尾流区，汽膜内压力沿高温颗粒y向不变；3)围绕高温颗粒的蒸汽流是连续流，蒸汽产生于汽一液界面上，汽液交界面是光滑的；4)包裹在高温颗粒上的蒸汽膜是相对稳定的，高温颗粒表面是光滑的；5)靠近高温颗粒的一层蒸汽膜是层流，有资料表明，该处的Re小于1000；6)由于汽液交界面两边压力接近