反应堆热工水力学.ppt

f
L D
Vm2
2
0.0905 16.5 1000 0.03182
0.0222
2
34.0Pa
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方程体系
15
管内湍流摩擦系数
光滑管Karman-Nikuradse关系式
1 0.8 0.87 ln Re f
f
显式： f CRe n
作者 McAdams Blasius Bishop
Y
y
Fx x
t<0,流 体 处 于 静 止 状 态
Vx
Fx
V t=0,上 板 开 始 向 右 运 动
x
A Y A Vx(y,t)
yx
t时 刻 液 体 在 粘 性 力
作 用 下 也 开始向 右 运 动
Vx(y)
t= 时形成稳定流动
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方程体系
7
Re数
υ* υ t* tV ,
N
υ dr
1 t
t 1
l AT
N qm dl 1 dqm N dl 1 dqm N ln
t 1 A dt 1 A dt n1 An
l A T
dqm dt
pout
pin
g zN
z1
qm2
2
1 AN2
1 A12
0
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方程体系
3
反应堆一回路系统
1
pin
9
5.2.3 管内层流边界层
z r r
z
z z
r z
Vz(r)
入口区
p 0, p 0
r
r
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方程体系
R Vz(r)
充分发展区
10
5.2.3 管内层流
z
z
z
r
z
r
p
z
2 z
z 2
r
r
r
z
r
r z p
r r r z
rz
d dr
r
dz
dr
0
rR
KSG AS2G
i
f
Li Di
1 Ai2
0
C 2
1
2p
1 A52
1 A12
KR AR2
KSG AS2G
i
f
Li Di
1 Ai2
1.803108
qm
1 C
7447kg/s
比较：qm
t
1 C
2.96 104
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方程体系
24
截面突然缩小和截面突然扩大
12
2 1
涡团
V22-V12
2
K
V
De
p*
p
V 2
x*, y*, z* x , y , z De De De
Dυ* Dt *
* p*
VDe
*2υ*
De V
g
2
g g
Dυ* Dt*
* p*
1 *2υ* Re
De g V2
g g
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方程体系
8
边界层
V
无粘区
0 层流边界层 过渡区
湍流区
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方程体系
湍流区 扩展区 粘性底层
5 单相流分析
5.1 单相流输运方程 5.2 单相流水力学分析 5.3 单相流传热分析
变截面流道无粘流动
υ dr t
dp
2
2
f
t
in
A1
z1 l1
l2
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方程体系
AN out
lN zN
2
变截面流道无粘流动
N υ dr pout pin 2 0
1 t
2
N υ dr
dr
R R
w
4 Vm
R
R 2
dp dz
R
Vm
0
z 2πrdr
πR 2
R2
8
dp dz
dp dz
64 D2Vm
Vm2
2
pfric
L 0
dp dz
dz
f
L Vm2
D2
dp f Vm2
dz D 2
f C 64 Re Re
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方程体系
13
例5-8
某压水堆停堆情况下，依靠自然循环，一回 路冷却剂系统大约有1%的满功率流量。假设 满功率流量为4686kg/s，蒸汽发生器的传热 管总数为3800根，传热管内直径为0.0222 m， 传热管平均长度为16.5m，流体密度近似为 1000kg/m3，动力粘度为0.001kg/(m·s)，试 判断流动是层流还是湍流，并计算摩擦系数 和入口到出口的摩擦压降。
2 3
4
5
堆芯
蒸发器
pout
l1/A1 l2/A2
l3/A3
l4/A4
l5/A5
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方程体系
23
l A T
dqm dt
p
qm2
2
1 A52
1 A12
KR
VR2
2
KSG
VS2G
2
i
f Li i2 0
Di 2
l
A
T
dqm dt
p
qm2
2
1 A52
1 A12
KR AR2
（1）当260℃的水以5 m/s的速度等温流过试验段时（即试验段不加 热），求整个回路的压降。
（2）若试验段均匀加热，入口温度260℃，出口温度变为300℃，计算 回路的总压降。（假定热量可以全部从热交换器带走）
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方程体系
29
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方程体系
14
Re VmD qmD
4686 0.02220.01
707.25 2100
A 0.001 3800 0.02222 / 4
f 64 0.0905 Re
Vm
qm
A 1000
4686 0.01 3800 0.02222 / 4
0.0318
Δp
2
V12
2
1
A1 A2
2
V12
2
K
V12
2
K
1
A1 A2
2
1
2
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方程体系
26
截面突然缩小
K
1
A2 A1
2
1 2
其中 是一个经验系数，在0.4~0.5之间取值。
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方程体系
27
小结
变截面流道无粘流动 管内层流压降计算 棒束和管内湍流压降计算 截面突然扩大和突然缩小压降计算
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方程体系
28
作业
5.5 如图所示，试验段长1.2 m，内径13 mm。套管式热交换器1.5m长， 90°弯头（R / D = 1.5），热交换器安装在水平管道的中间部分，加热 器安装在竖直管道的中间部分，冷却水在管外逆向流动。热交换器的 内管以及把试验段、热交换器、泵连接起来的管道均为内径25 mm的 不锈钢管。试验装置高3m，宽6m，回路的运行压力是16MPa。
z 0
dp dz
z
R2
4
dp dz
1
r2 R2
r r0
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方程体系
11
5.2.3 管内层流
z
R2
4
dp dz
1
r2 R2
w
r
p
z
p+
p z
z
(r)
z
Vz(r)
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方程体系
12
层流摩擦系数
z
R2
4
dp dz
1
r2 R2
r dz 4 Vm r
f CRen M
作者 Miller（1956） Tourneau（1957） Wantland（1957）
C
n
0.296
0.2
0.163~0.184 0.2
1.76
0.39
90.0
1.0
M 0
0
0 0.0082
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方程体系
19
非等温修正
Sieder-Tate认为
f
feu
w f
n
对于气体，Toylor推荐
V22
2
V12-V22
2
斜率 -
f
D
V22
2
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方程体系
K
V12
2
25
截面突然扩大
p1 A1 p1 ( A2 A1 ) p2 A2 A2V22 A1V12
A1V1 A2V2
p1 p2 V22 V1V2
p1
p2
1 2
V22
V12
pform
pform
1
V2 V1
z2
z1
z
gdz
pfric
f
L D
r2ef
2
pform
K
2 ref
2
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方程体系
22
例5-6中如果流动是粘性流动，堆芯和蒸汽发生器中的局部 形阻系数分别为18和52，且假设各个地方的摩擦系数均为 0.015，试计算稳态流量 。
1
pin
3
堆芯 2
蒸
发4
器
1
主泵 5
pin
pout
Δp
f
L D
Vm2
2
0.0197 16.5 1000 3.182
0.0222
2
74000Pa
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方程体系
21
稳Βιβλιοθήκη Baidu流动单相流压降
p pacc pgrav pfric pform
•加速压降 •提升压降 •摩擦压降 •局部压降
1
pacc 2
2V22 1V12
pgrav
1 2C
ln(1
qmC )
p
A l
T
t
C0
1 qmC 1 qmC
exp
2Cp
A
l
T
t
2Cp
A l T
0.551s1
qm
1 C
e0.511t 1 e0.511t 1
qm
t
1 C
2.96 104
0.9
e0.551t e0.551t
1 1
t = 5.34s
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方程体系
6
5.2.2 粘性流动
1 A52
1 A12
C2
1
2p
1 A52
1 A12
1/ C 2.96104
(1
dqm qmC )(1
qmC )
p
A l
T
dt
dqm
21 qmC
dqm
21 qmC
p
A l
T
dt
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方程体系
5
dqm
21 qmC
dqm
21 qmC
p
A l
T
dt
1 2C
ln(1
qmC )
l1/A1
3
堆芯 2
蒸
发4
器
1 主泵 5
pin
pout
2
3
4
5
堆芯
蒸发器
pout
l2/A2
l3/A3
l4/A4
l5/A5
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方程体系
4
已知泵的扬程为85.3m，流体密度近似为 1000kg/m3，试计算需要多少时间流量达到稳 态流量的90%？
l
A
T
dqm dt
p qm2
1
2
显式：
f
0.00551
20000
De
106 Re
1 3
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方程体系
17
各种管子的表面粗糙突起高度
管材料 冷拉管 工业用钢管 涂沥青铁管 镀锌铁管 铸铁管 混粘土管
ε/ mm 0.0015 0.045 0.12 0.15 0.26 0.3~3.05
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方程体系
18
棒束通道摩擦系数
C 0.184 0.316 0.084
n 0.2 0.25 0.245
应用范围 工业用光滑管, 环形通道 普通无缝钢管, 黄铜管, 玻璃管 超临界水
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方程体系
16
管内湍流摩擦系数
粗糙管： Colebrook关系式
f
1/ 2
1.74 2 lg
2
De
18.7 Re f 1/ 2
f
0.0028
0.25 Re0.32
Tw Tf
0.6
09:48:56
方程体系
20
例5-9
蒸汽发生器传热管与例5-8相同，判断在满功率 流量下流动是层流还是湍流，并计算摩擦系数和 出入口压降。
题中没有给出传热管的表面粗糙突起高度，采用 McAdams关系式计算摩擦系数，于是得
f 0.184 Re0.2 0.0197