核动力系统热工水力计算方法

随着世界核能事业的发展，核能已成为世界能源结构的重要组成部分。我国为了优化能源结构，制定了“积极推进核电建设”的战略，坚持“引进、消化、吸收、再创新”的核电发展方针，组织并实施了“大型先进压水堆和高温气冷堆核电站”的重大专项。先进核能系统对安全性提出了新的更高的要求。核动力系统热工水力与安全分析计算是研究其安全性的基础。

围绕核能系统的热工水力与安全分析，作者及其课题组经过20多年的科研工作，取得了一些突破性的研究进展，已经建立起较为完善的研究方法与理论体系。本书是在归纳、整理和总结作者多年来的研究成果的基础上完成的一部学术专著。同时，为了尽可能全面地反映国际研究动态，书中也介绍了其他研究者的成果。

本书共分9章。作者的分工如下：苏光辉教授执笔第1~3章、6.2节、7.1节、8.8节、9.1节和9.4节，秋穗正教授执笔第8章和6.3节，郭玉君博士执笔第5章（不含第5节），张金玲博士执笔第4章（不含第8节和第10节），田文喜副教授执笔4.8节、5.5节、6.1节、7.2节和7.3节，巫英伟副教授执笔4.10节，现任哈尔滨工程大学教授的谭思超博士后执笔9.2节和9.3节。全书由苏光辉教授统稿。

本书第1~4章介绍核动力系统完整的建模与数值计算。 在核反应堆的热工水力研究领域，核能系统的瞬态模拟一直是重点和难点。这部分工作既涉及冷却剂瞬态的热工水力基本模型，也包含了传热与流动阻力模型，还包括了大量辅助模型的建立。这些模型既有来自纯理论的数学推导，如冷却剂的热工水力基本模型，也包含了相当多的依赖于实验得到的经验关系式，如对流传热的经验关系式、摩擦阻力系数的选取以及辅助模型中空泡份额的确定等。除此之外，核能系统的瞬态计算是多个设备相耦合的计算，一个回路系统中就包括了堆芯、稳压器、蒸汽发生器和主泵以及管道等的联合建模，再加上余热排出等其他辅助设备，整个系统的建模是一个相对复杂和庞大的工程。多种设备、复杂模型的联合求解对数值计算方法也提出了很高的要求，如刚性方程和非刚性方程的同时求解问题。因此，要进行核能系统的瞬态分析程序的开发，既需要研究者在热工水力领域的基础理论方面有深厚的功底，也需要其在数值计算方法的实现上具有相当的经验。

第5~6章以两个专题的形式介绍了两相流数值分析技术、热工水力关键现象的数值模拟。两相流数值分析技术在反应堆的热工设计与安全分析中日益受到重视，而且随着计算机技术的提高，该数值分析技术正在飞速的发展。第5章重点介绍了目前广泛应用的两相流数值分析技术中采用的思想、模型以及具体的数值算法，是对两相流数值技术一个比较完整的总结。第6章中论述了热工水力领域非常重要的两相流动不稳定性、临界流等现象的数值分析方法，作者所在课题组对这些现象做了深入的研究。

近年来，反应堆的热工水力研究领域出现了一些新的研究热点和技术前沿问题，例如人工神经网络、小波分析、粒子法等新方法在核能领域的应用，以及新型核动力堆如超临界水堆、熔盐堆等的热工设计与安全分析。从第7~9章可以发现，作者最近几年在这些新的研究领域开展了大量深入的研究，并取得了相当丰硕的研究成果。第7章中介绍的神经网络、遗传算法与小波分析在核能领域的应用展现了其在处理数据信息时的明显优势；移动粒子半隐式（MPS）方法对动态过程的真实模拟为数值模拟技术提供了新的强有力的工具。第8章的新型核动力堆的热工设计分析是作者所在课题组在核能最新技术领域长期研究与积累的综合展现，是本书的最大亮点之一。课题组对超临界水堆、钠冷快堆、行波堆、熔盐堆等的热工物理技术研究与安全分析做了大量的研究工作，已经走在了国际的最前沿，这对中国第四代堆进一步的设计与研发提供了重要的参考资料。

第9章系统地展现了作者所在单位关于运动条件下的核动力装置热工水力特性的研究成果。舰船所呈现的绕轴运动或沿轴向运动等典型以及耦合运动工况会给冷却剂流动带来一个附加力，这对运动条件下的流动换热特性以及流动不稳定性和临界热流密度都会带来较复杂的影响。

本书初稿成于1997年，一直用作研究生教材。十几年来，作者不断改进与完善书中相关内容。已故的中国科学院和中国工程院院士赵仁恺先生于1999年为本书作序。时值本书正式出版之际，著名的核动力系统热工水力专家、中国工程院院士于俊崇先生又在百忙中热情地为本书作序。

特别说明的是，从作者所在课题组毕业的历届硕士和博士研究生，对本书的形成做出了贡献，由于时间跨度大、人员众多，在此不具体列出名单。在书稿排版、整理及校对等方面，巫英伟博士和张大林傅士付出了艰辛的劳动，在此一并表示衷心的感谢。

作者们非常感谢导师贾斗南教授和喻真烷教授，二位导师为本书倾注了大量心血，使得本书顺利交稿。

本书的出版得到了各方面的支持与帮助，特别是全国工程硕士专业学位教育指导委员会以及秘书处联系人、中国科学技术大学王相綦教授的鼎力支持 ，在此一并表示衷心的感谢。

限于作者水平有限，本书难免有不足和不当之处，热切希望读者和同行专家不吝赐教！

作者

2013年5月于西安交通大学

第1章冷却剂热工水力计算的基本模型

1.1稳态工况下的热工水力模型

1.1.1一维稳态单相流动的基本守恒方程

1.1.2一维稳态两相流动的基本守恒方程

1.2瞬态工况下的热工水力模型

1.2.1一维流动时的基本热工水力模型

1.2.2三维流动时的基本热工水力模型

参考文献

第2章相关传热及水力学模型

2.1对流换热模型

2.1.1单相液体对流传热

2.1.2欠热沸腾区传热

2.1.3饱和沸腾区传热

2.1.4稳定膜态沸腾区或缺液区对流传热

2.1.5单相蒸汽对流传热

2.1.6界限含汽量计算

2.1.7过渡沸腾传热

2.1.8作者在科研中所选公式汇总

2.1.9凝结换热

2.1.10管外壁与空气换热

2.2热传导模型

2.2.1燃料元件热传导方程

2.2.2包壳导热方程

2.2.3蒸汽发生器换热管管壁导热方程

2.3间隙导热

2.4阻力系数

2.4.1单相摩擦阻力系数关系式

2.4.2两相摩擦阻力系数关系式

2.4.3局部阻力系数关系式

参考文献

第3章辅助模型

3.1空泡份额模型

3.1.1饱和沸腾区的空泡份额

3.1.2欠热沸腾区的空泡份额

3.2临界热流密度及DNBR的计算

3.2.1qCHF计算关系式

3.2.2qCHF表

3.2.3qCHF及DNBR的计算结果比较及讨论

3.2.4两相流动不稳定性对qCHF的影响

3.2.5重水堆的qCHF与临界功率比

3.2.6临界热流密度的机理模型

3.3堆芯中子动力学方程

3.3.1堆芯中子动力学方程

3.3.2反应性反馈

参考文献

第4章核动力系统稳态与瞬态热工计算实例

4.1概述

4.2系统及设备数学物理模型

4.2.1反应堆数学物理模型

4.2.2蒸汽发生器数学物理模型

4.2.3稳压器数学物理模型

4.3主循环泵模型

4.3.1主循环泵及四象限特性

4.3.2主循环泵状态选择

4.3.3环路冷却剂流量模型

4.4非能动应急堆芯余热排出系统模型

4.5管道与腔室数学物理模型

4.6控制系统模型

4.6.1反应堆功率控制系统模型

4.6.2反应堆短周期保护

4.6.3稳压器控制系统模型

4.6.4蒸汽发生器的控制系统模型

4.7辅助模型

4.8仿真系统简介

4.9MITARS程序

4.9.1MITARS程序的编制

4.9.2MITARS程序的验证及应用

4.10MITARS的后续开发

4.10.1MITARSSyTar软件的编制

4.10.2MITARSSyTar 软件的功能简介

4.10.3MITARSSyTar软件的界面简介

4.11稳态自然循环和程序MISARS

4.11.1MISARS程序的编制

4.11.2MISARS程序的应用

参考文献

第5章两相流数值分析技术和商用程序简介

5.1两相流基本方程的闭合

5.2数值解法简介

5.3程序的输入、输出要求

5.4典型的程序结构

5.5当前开发的有关程序简介

5.5.1TRAC程序

5.5.2RELAP5程序

5.5.3RETRAN程序

5.5.4CATHARE程序

5.5.5COBRATRAC程序

5.5.6PHOENICS程序

5.5.7严重事故分析程序

5.5.8TEXASⅥ蒸汽爆炸分析程序

5.5.9其他程序

参考文献

第6章关键热工水力现象的基本模型

6.1临界流

6.1.1临界流的定义

6.1.2单相临界流

6.1.3两相临界流

6.1.4过热蒸汽临界流

6.2两相流动不稳定性

6.2.1两相流动不稳定性的分类

6.2.2两相流动不稳定性的判别准则

6.3超临界条件下流动不稳定性

参考文献

第7章新方法在反应堆热工水力数值模拟方面的应用

7.1小波分析、人工神经网络及遗传算法的应用

7.1.1小波分析

7.1.2人工神经网络

7.1.3遗传算法

7.1.4遗传神经网络

7.1.5小波神经网络

7.2粒子法及其应用

7.2.1粒子法的提出

7.2.2移动粒子半隐式（MPS）方法

7.2.3MPS方法的应用举例

7.3核动力系统多尺度耦合的数值模拟计算

7.3.1多尺度模拟方法简介

7.3.2国内外研究现状

7.3.3物理热工耦合

7.3.4热工水力多尺度耦合

参考文献

第8章先进反应堆系统及其热工水力分析

8.1超临界水冷堆

8.1.1超临界水冷堆概况

8.1.2超临界水冷堆研究历史及现状

8.1.3超临界水冷堆的热工设计及安全分析

8.2钠冷快堆

8.2.1钠冷快堆概况

8.2.2钠冷快堆研究历史及现状

8.2.3钠冷快堆热工水力分析研究

8.3熔盐堆

8.3.1熔盐堆概况

8.3.2熔盐堆的研究历史及现状

8.3.3熔盐堆堆芯物理热工耦合及安全特性研究

8.4铅铋快堆

8.4.1铅铋快堆概况

8.4.2铅铋快堆研究历史及现状

8.4.3铅铋快堆热工水力分析及设计

8.5行波堆

8.5.1行波堆概况

8.5.2行波堆研究历史及现状

8.5.3钠冷行波堆热工水力设计及安全分析

8.6球床式水冷堆

8.6.1球床式水冷堆简介

8.6.2球床式水冷堆的热工水力模型

8.6.3球床式水冷堆热工水力分析

8.6.4球床堆燃料堆积床CFD模拟

8.7磁约束核聚变关键能量转换部件——实验包层

8.7.1ITER计划和实验包层概况

8.7.2氦冷固态陶瓷氚增殖剂实验包层概念（HCSB TBM）

8.7.3液态金属氚增殖剂实验包层概念（DFLLTBM）

8.7.4聚变裂变混合堆实验包层概念设计

8.8磁流体流动的数值计算

8.8.1磁流体流动的迎风无网格配点法

8.8.2数值求解

参考文献

第9章运动条件下核动力装置的热工水力特性

9.1运动条件下的运动条件附加力

9.1.1非惯性系动量方程[2]

9.1.2典型运动条件附加力模型

9.1.3耦合运动条件下的附加力模型

9.2绕x轴、y轴或z轴摆动对管内冷却剂流动与换热的影响

9.2.1绕x轴、y轴或z轴摆动对管内冷却剂流动特性的影响

9.2.2绕x轴、y轴或z轴摆动对管内冷却剂传热特性的影响

9.3运动条件对反应堆系统热工水力特性的影响

9.3.1绕x轴、y轴或z轴摆动对自然循环流动不稳定性的实验研究

9.3.2绕x轴、y轴或z轴摆动下自然循环流动不稳定性的非线性分析

9.4运动条件下的临界热流密度特征

9.4.1运动条件下临界热流密度的修正

9.4.2运动条件下微液层蒸干机理模型

参考文献

附录A水及水蒸气的物性

附录B重水的物性

附录C钠的物性

附录D其他材料物性

附录E物性计算的子程序模块

附录FAECLUO qCHF表的数据2100433B

本书共分9章。第1～4章介绍核动力系统完整的建模与数值计算。第5、6章以专题的形式介绍了两相流数值分析技术、热工水力关键现象的数值模拟。第7章介绍新方法在反应堆热工水力数值模拟方面的应用。第8章为先进反应堆系统热工水力分析。第9章系统地展现了作者所在单位关于运动条件下的核动力装置热工水力特性的研究成果。

本书可作为高等院校反应堆工程专业研究生的专业基础课教材，也可供相关专业的工程技术人员参考。

陈文振等编著的《核动力装置热工水力》选择压水堆核动力装置为主要讨论对象，对其他相关的堆型也具有一定的借鉴意义；本书在对反应堆热工水力的基本概念、基本原理进行讲述的基础上，对一回路重要设备的热工水力进行重点分析，并对船用核动力装置在海洋和机动性条件下的流动和换热探索性研究的初步结果进行了介绍。本书在内容的安排上既考虑到学习的系统性和基础性，又注重具体问题的分析和解决，由浅人深，循序渐进，既可以作为核动力工程专业热工水力课程的教材，又满足相关专业对热工水力基础知识的需求。

第一章 绪论

1.1 核能与反应堆发展概况

1.2 核反应堆动力装置简介

1.2.1 压水堆动力装置

1.2.2 重水堆动力装置

1.2.3 沸水堆动力装置

1.2.4 舰船核动力装置的特点

1.3 热工水力分析的目的和任务

1.3.1 热工水力分析的目的

1.3.2 热工水力分析任务与方法

习题

参考文献

第二章 堆芯材料和热源分布

2.1 核燃料

2.1.1 核燃料分类

2.1.2 核燃料U02

2.2 包壳

2.2.1 包壳的作用

2.2.2 包壳材料的选择

2.3 堆内其他结构

2.3.1 不锈钢

2.3.2 镍基合金

2.4 冷却剂和慢化剂

2.4.1 冷却剂和慢化剂的选择

2.4.2 水的物性

2.4.3 水物性查表计算

2.5 堆芯热源及其分布

2.5.1 裂变能释放的特点

2.5.2 堆内热功率计算

2.5.3 堆芯功率分布及其影响因素

2.5.4 控制棒、慢化剂和结构材料热源强度

2.5.5 停堆后的释热

习题

参考文献

第三章 核动力装置传热学基础

3.1 导热

3.1.1 导热基本概念及定律

3.1.2 导热微分方程

3.1.3 定解条件

3.1.4 几种典型导热问题的解

3.2 单相对流换热

3.2.1 对流换热的基本概念

3.2.2 管道内强迫对流换热及换热系数

3.2.3 管道外强迫对流换热及换热系数

3.2.4 自然对流换热及换热系数

3.3 沸传热

3.3.1 大容积沸腾

3.3.2 流动沸腾

3.3.3 临界热流密度经验公式

3.4 凝结传热

3.4.1 层流膜状凝结

3.4.2 湍流膜状凝结

3.4.3 膜状凝结的影响因素

习题

参考文献

第四章 反应堆内稳态传热分析

4.1 定热导率燃料元件导热

4.1.1 燃料芯块导热

4.1.2 气隙导热

4.1.3 包壳导热

4.1.4 包壳表面对流换热

4.1.5 元件径向总温降

4.2 变热导率燃料元件导热

4.2.1 影响二氧化铀热导率的因素

4.2.2 二氧化铀热导率的几个经验公式与比较

4.2.3 包壳与氦气隙的热导率

4.2.4 燃料芯块积分热导率

4.3 燃料元件与冷却剂温度场

4.3.1 冷却剂输热方程

4.3.2 冷却剂轴向温度场

4.3.3 燃料元件轴向温度场

4.4 燃料元件最高温度及其位置

习题

参考文献

第五章 蒸汽发生器与稳压器内热工分析

5.1 蒸汽发生器传热

5.1.1 传热模型

5.1.2 一次侧传热过程

5.1.3 二次侧传热过程

5.1.4 管壁热阻和污垢热阻

5.2 蒸汽发生器的稳态特性

5.2.1 不同运行方式的稳态特性

5.2.2 稳态特性计算方法

5.3 稳压器内热力分析

5.3.1 冷却剂体积变化的分析

5.3.2 稳压器内部的热力过程

5.3.3 稳压器容积计算

习题

参考文献

第六章 核动力装置水力学基础

6.1 单相流基本方程

6.1.1 连续性微分方程

6.1.2 流体运动微分方程

6.1.3 流体微小流束的伯努利方程式

6.1.4 总流的连续性方程式

6.1.5 总流的伯努利方程式

6.2 管内单相流压降计算

6.2.1 管内流动型态和流动阻力压降

6.2.2 沿程摩擦压降

6.2.3 局部压降

6.2.4 管中的水锤现象

6.2.5 气穴和汽蚀

6.3 两相流基本方程

6.3.1 基本概念

6.3.2 基本方程

6.4 两相流压降计算

6.4.1 摩擦压降

6.4.2 加速压降

6.4.3 提升压降

6.4.4 局部压降

习题

参考文献

第七章 核动力装置水力分析

7.1 反应堆内压降计算

7.1.1 摩擦压降

7.1.2 提升压降

7.1.3 加速压降

7.1.4 定位格架的局部压降

7.2 蒸汽发生器内压降计算

7.2.1 一回路侧阻力压降计算

7.2.2 二回路侧自然循环与水力计算

7.3 管路压降与泵功率

7.3.1 管路压降

7.3.2 泵功率

7.4 堆芯冷却剂流量的分配

7.4.1 堆芯流量分配的计算方法

7.4.2 堆芯流量分配分析

7.5 流动不稳定性

7.5.1 流动不稳定性概述

7.5.2 水动力学不稳定性分析

7.6 反应堆内自然循环

7.6.1 基本概念与方程

7.6.2 堆内水流量确定

7.7 自然循环下倒U形管内倒流分析

7.7.1 一维流动换热模型

7.7.2 对流换热计算公式

7.7.3 水力学计算模型

7.7.4 流体倒流分析

7.7.5 倒流影响因素分析

7.7.6 倒流流量与倒流管数计算简介

习题

参考文献

第八章 反应堆稳态热工设计

8.1 热工设计准则

8.2 热管因子和热点因子

8.2.1 核热管因子和核热点因子

8.2.2 工程热管因子和工程热点因子

8.2.3 降低热管因子和热点因子的途径

8.3 单通道模型堆芯稳态热工设计

8.3.1 热工设计参数选择

8.3.2 热工设计的一般步骤和方法

8.3.3 安全校核

8.4 子通道模型堆芯稳态热工设计

8.4.1 子通道的划分

8.4.2 基本方程

8.4.3 求解方法

8.4.4 常用子通道程序介绍

8.5 稳态热工设计与热工水力实验的关系

习题

参考文献

第九章 反应堆正常瞬态热工分析

9.1 集总参数法

9.2 瞬态传热问题的集总参数求解

9.3 燃料元件径向温度变化的解析求解

9.3.1 板状燃料元件

9.3.2 棒状燃料元件

9.4 棒状元件径向温度变化的数值求解

9.4.1 数值求解方法

9.4.2 功率按指数规律变化时元件径向温度

9.4.3 有温度反馈缓发超临界过程元件径向温度

9.5 动态温度场的集总参数法分析

9.5.1 棒状元件动态温度场

9.5.2 堆芯热管动态温度场

9.6 反应堆瞬态过程的快速仿真分析

9.6.1 有反馈的反应性变化过程仿真

9.6.2 负荷大幅变化时的仿真

习题

参考文献

第十章 海洋与机动条件下的流动与换热

10.1 海洋条件下船体运动的特点

10.2 摇摆时内部层流流动与对流换热

10.2.1 圆管

10.2.2 矩形通道

10.3 摇摆时内部湍流流动与对流换热

10.3.1 圆管

10.3.2 矩形通道

10.4 舰船运动对一回路自然循环的影响

10.4.1 水平加速直线运动

10.4.2 竖直加速直线运动

10.4.3 回旋

10.4.4 横倾

10.4.5 纵倾

10.4.6 摇摆

习题

参考文献

第十一章 核动力装置热工水力计算分析工具简介

11.1 核动力装置热工水力计算分析工具的发展

11.2 最佳估算程序

11.2.1 最佳估算程序的建模方式

11.2.2 计算结果不确定性的主要来源

11.2.3 最佳估算程序的验证

11.2.4 RELAP系列程序简介

11.2.5 CATHARE程序简介

11.2.6 TRAC程序简介

11.3 计算流体动力学程序

11.3.1 计算流体动力学简介

11.3.2 控制方程的通用形式

11.3.3 计算区域网格划分

11.3.4 湍流模型

11.3.5 CFD计算的误差分析

11.3.6 FLUENT软件简介

11.4 核动力装置自然循环分析平台

11.4.1 反应堆时空中子动力学计算模块

11.4.2 反应堆及主冷却剂系统热工水力分析模块

11.4.3 一回路辅助系统及二回路系统流体网络计算模块

习题

参考文献

附录Ⅰ 一些核燃料的热物性

附录Ⅱ 水和水蒸气的热物性

附录Ⅲ 氦气的热物性2100433B

本书是铁路机械类中等专业学校的机车、车辆、机制、空调与制冷及起重与线路机械等专业《水力学及热工学基础》课程的试用教材。

内容包括水力学、工程热力学及传热学三篇，共十九章。注重了基本概念和基本理论的阐述，以及有关专业的实际需要，各章中均有例题和习题，书末附有供计算用的热工学图表。全书采用国际单位制（SI），并备有国际单位制与工程单位制的对照换算表。

本书除作为机械类中等专业学校教材，也可供机车、车辆等专业的工程技术人员参考。