海洋条件下非能动余热排出系统运行特性研究

摘要

非能动余热排出系统因其固有安全性高而广泛应用于核动力装置中，然而对于航行中的船舶而言，由于海洋条件引入的运动会对船用反应堆及其非能动安全系统的运行造成潜在的影响，因此，开展海洋条件下非能动安全系统运行特性的相关研究具有重要意义。本文针对船用核动力装置非能动余热排出系统在海洋条件下的运行特性进行了仿真研究。
　　本文对船舶运动条件进行了数学描述，通过介绍非惯性系下的动量方程，引入海洋条件下流体质量力及附加惯性力的概念。基于海洋条件下流体的受力分析，建立了适用于任意非惯性坐标系原点位置、能够描述任意船体运动形式的流体的质量力与附加惯性力的通用计算模型。
　　针对在船舶核动力装置一回路侧、二回路侧分别布置非能动余热排处换热器的情况，基于基本热工水力模型，结合运动条件，建立能够描述海洋条件下船舶核动力装置一、二次侧非能动余热排出系统的数学物理模型。通过选取合适的数值算法，基于MATLAB平台，开发了海洋条件下非能动余热排出系统热工水力分析程序。对一、二侧非能动余热排出系统在海洋条件下的运行特性进行了计算分析，研究了两种布置形式在海洋运动条件下的适应性，计算结果表明：
　　对一次侧非能动余热排出系统来说，横摇及纵摇运动会引起回路冷热源有效高度差的改变并引入了附加惯性力，导致系统平均流量减小，造成流量及水温的周期性波动；增大运动幅值或减少运动周期均会导致非能动系统及堆芯流量的进一步减小。在剧烈横摇工况下，由于引入的附加惯性力过大，导致非能动系统不能正常启动，严重影响堆芯余热排出。船舶的艏摇及直线运动仅会引入附加惯性力而不改变回路冷热源有效高度差，对非能动系统及堆芯余热排出能力的影响有限；垂荡条件下，环路流量波动在堆芯处叠加，堆芯流量波动增大。
　　对二次侧非能动余热排出系统来说，倾斜运动造成了系统冷热源高差改变，导致非能动系统自然循环流量的变化。在纵摇条件下，系统能够正常启动运行并安全导出堆芯余热，海洋条件对系统的运行影响较小；随着运动幅值的增大或运动周期的减小，海洋条件的影响程度增加。在横摇、艏摇及纵荡运动时，系统冷热源高差不变，运动引入的附加压降较小，对系统运行的影响程度有限。在本文的计算工况中，与一次侧非能动余热排出系统运行特性相比，二次侧非能动余排系统在海洋条件下的适应性较好。因此，在实际船舶系统设计中，建议根据具体海况及船舶运动形式的最大幅值与最小周期，选择海洋条件影响程度最小的二次侧非能动余排系统布置方案。

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第1章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本论文主要内容

第2章 海洋条件下流体受力模型

2.1海洋条件数学模型

2.2非惯性系动量方程

2.3质量力模型

2.4附加惯性力模型

2.5复合海洋条件流体受力模型

2.6本章小结

第3章 系统介绍和数学模型

3.1系统介绍

3.2基本热工水力模型

3.3环路冷却剂流量模型

3.4驱动压头模型

3.5阻力模型

3.6换热模型

3.7蒸汽发生器模型

3.8海洋条件下闭合回路积分模型

3.9数值解法及程序编制

3.10本章小结

第4章 海洋条件下一次侧非能动余排系统运行特性研究

4.1稳态条件下系统运行特性研究

4.2横摇条件下系统运行特性研究

4.3其他摇摆条件下系统运行特性研究

4.4直线运动条件下系统运行特性研究

4.5本章小结

第5章 海洋条件下二次侧非能动余排系统运行特性研究

5.1稳态条件下系统运行特性

5.2倾斜条件下系统运行特性

5.3纵摇条件下系统运行特性

5.4其他摇摆条件下系统运行特性

5.5直线运动条件下系统运行特性

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢