反应堆热工水力学课后习题讲解(清华大学出版社)

2.1查水物性骨架表计算水的以下物性参数：（1）求16.7MPa时饱和水的动力粘度和比焓；（2）若324℃下汽水混合物中水蒸气的质量比是1%，求汽水混合物的比体积；（3）求15MPa下比焓为1600kJ/kg时水的温度；（4）求15MPa下310℃时水的热导率。

2.2计算核电厂循环的热效率:49第三章3.1的热导率，并求1600℃下97%理论密度的UO2与316℃下金属铀的热导率做比较。

13:14:49习题讲解8假设堆芯内所含燃料是富集度3%的UO，慢化剂为重水2D2O,慢化剂温度为260℃，并且假设中子是全部热能化的，在整个中子能谱范围内都适用1/v定律。

试计算中子注量率为1013 1/（cm2·s）处燃料元件内的体积释热率。

= 0.275试推导半径为R ，高度为L ，包含n 根垂直棒状燃料元件的圆柱形堆芯的总释热率Q t 的方程：1Q tnLA u q V ,maxF u其中，A u 是燃料芯块的横截面积。

4.1燃料元件，已知表面热有一压水堆圆柱形UO2流密度为1.7 MW/m2，芯块表面温度为400℃，芯块直径为10.0mm，UO2密度取理论密度的95%，计算以下两种情况燃料芯块中心最高温度：（1）热导率为常数，k = 3 W/（m•℃）（2）热导率为k = 1+3exp（-0.0005t）。

热导率为常数k不是常数，要用积分热导法4.2有一板状燃料元件，芯块用铀铝合金制成（铀占22%重量），厚度为1mm，铀的富集度为90%，包壳用0.5mm厚的铝。

元件两侧用40℃水冷却，对流传热系数h=40000 W/(m2•℃)，假设：气隙热阻可以忽略铝的热导率221.5 W/(m•℃)铀铝合金的热导率167.9 W/(m•℃)裂变截面520×10-24cm2试求元件在稳态下的径向温度分布4.3已知某压水堆燃料元件芯块半径为4.7mm，包壳内半径为4.89mm，包壳外半径为5.46mm，包壳外流体温度307.5 ℃，冷却剂与包壳之间传热系数为 28.4 kW/（m2•℃），燃料芯块热导率为 3.011 W/（m•℃），包壳热导率为18.69 W/（m•℃），气隙气体的热导率为0.277W/（m•℃）。

试计算燃料芯块的中心温度不超过1204℃的最大线释热率。

4.4厚度或直径为d 的三种不同几何形状（平板、 圆柱、球）的燃料芯块的体积释热率都是q V ，表面温度都是t c ，试求各种芯块中心温度的表达式，并进行讨论比较。

球轴向z = 650 mm 高度处的燃料中心温度。

4.5考察某压水堆（圆柱形堆芯）中的某根燃料元件，参数 如下表。

假设轴向发热分布为余弦分布，试求燃料元件4.6压力壳型水堆燃料元件UO2的外直径为10.45mm，芯块直径为9.53mm，包壳热导率为19.54W/（m•℃），厚度为0.41mm，满功率时热点处包壳与芯块刚好接触，接触压力为零，热点处包壳表面温度为342℃，包壳外表面热流密度为1.395×106W/m2，试求满功率时热点处芯块的中心温度。

求T5.1如图题5.1所示，有一个喷嘴将水喷到导流叶片上。

喷嘴出水的速度为15m/s，质量流量为250kg/s，导流叶片角度为60°，试计算：（1）导流叶片固定不动所受到的力，（2）导流叶片在x方向以速度5m/s运动的情况下受到的力。

yO x60o喷嘴导流叶片5.2 假如某一管内层流流速分布为υ =υ max 1 − (r R ) ]Q V = ∫ υmax ⎡1 − ( ) ⎤ 2πr d r 2 ⎣ ⎦ 2= ∫ 2 1 − ( r R ) ⎤ 2πr d r = 7.854 ×10−3 ⎡ υm = = = 1m/s( )1 υmax ⎡1 − ( r R ) ⎤2πr d r = 0.667ρυm 2 2 dp = ρ∫ 2 ( υmax ⎡1 − ( ) ⎤ )2πr d r ∫ 2 ⎣ ⎦ υm =2 υ max = 2.0 m/s ，R = 0.05 m ，流体的密度为300 kg/m 3，计算管内体积流量、断面平均速度，并判断流体动压头等于 ρυm 2 吗？R R 0 0.05 02 ⎣ ⎦Q V 7.854 ×10−3A π× 0.052R 2 0⎣ ⎦ R r R 0 25.3 如图所示，某一传热试验装置，包括一根由长1.2 m内径是13 mm的垂直圆管试验段。

水从试验段顶部流出，经过90°弯头（R / D = 1.5）后进入1.5m长的套管式热交换器，假设热交换器安装在水平管道的中间部分，水在管内流动，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，总长18m，共有4个弯头。

在试验段的进出口都假设有突然的面积变化，回路的运行压力是16MPa。

（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），求回路的摩擦压降。

（2）、若试验段均匀加热，使试验段的出口温度变为300℃，计算回路的总压降是多少？（假定这时热交换器换热管的壁温比管内水的平均温度低40℃）, μ = 105.376 ×10−6Pa ⋅ s , ρ = = 797.77 kg m 3De 1V 2ρ ARe 1 = = 4.921×10 ,V 2 = 1 V 1 = 1.352 m s⎡ ⎛ε∵ f = 0.0055 1 + ⎜⎟ ⎣ ⎦ L 1 ρV 1 L 2 ρV 22ΔP f = ΔP f 1 + ΔP f 2 = f 1 ⋅ ⋅ + f 2 ⋅ ⋅10 ⎞ 3⎤⎥v = 0.0012535 m2kg 1v5μA 2Re 2 = De 2V 2ρ μ= 2.559 ×1051 6 ⎢ 20000 + ε = 0.0015⎢ ⎝ D Re ⎠⎥ ∴ f 1 = 0.0145, f 2 = 0.01502De 12 De 2 2= 20675Pa× (13 × 10−5) × 5 = 0.5294kg1ρ1 = = 705.92 kg m 3 V 1 = = 1.528 m s 4出口温度300℃流量 W = 797.77 × π42 a).试验段出口至换热器入口：t 1 = 3000CP = 160b热交换器试验段v 1 = 0.0014166 m3kg μ1 = 89.36 ×10−6 Pa ⋅ s1v 1Wv 1 π 2 d 1Re 1 = d 1V 1v 1μ1= 3.018 ×10513:14:49习题讲解34⎛ ⎞3 ⎤⎡ 0.001510f 1 = 0.0055 1 + ⎜ 20000 ×+ = 0.0146 ⎟⎢ ⎝253.018 ×105 ⎠ ⎥aρ1V 12705.92 ×1.5282c1 6⎢ ⎥ ⎣ ⎦ΔP f 1 = f 1 L 1 ρ1V 12d 1 2= 1516 P aΔP el 1 = ρ1 g Δz = 6233Pa ΔP 1 = 0ΔP 1 =K= 0.6 × = 494 P a2 2= 11888W 0.Δt 2 = = 0.5294 × 5.448 ×10. = × ( 25 × 10)d 22 = 1443 m s.mCC p = 5.448 × 103J kgC . 25 × 10b). 热交换器内压降Re 2 = Re 1 = 3.018 × 105Pr = 0.858k = 567.7 × 10−3W 0Nu = 0.023 R e 20.8Pr 0.4= 5235h = Nu ⋅ k d= 5235 × 567.7 × 10−3 −3mC hF Δt p 11888 × π × 25 × 10−3× 15 × 40 3= 19.4 0Ct = t 1 − Δt 22= 290.30 C∴ v 2 = 0.0013381m 3 kg μ2 = 93.36 × 10−6 Pa ⋅ s ρ 2 = 1v 2 = 747.33kg m 3V 2 = Wv 2 0.5294 × 0.0013381π π −3 24 4.热交换器试验段Re 2 =d 2V 2 ρ 2=25 × 10−3× 1443 × 793.36 × 10−6= 2.888 × 10513:14:49习题讲解36⎛ ⎞ 3⎤ ⎡ 0.0015 10 f 2 = 0.0055 ⎢1 + ⎜ 20000 × + 5 ⎟ ⎥ = 0.0146⎝ ⎠ ⎦ ⎣f = f 2 ⎜ ⎟ a1 6⎢ 25 3.018 ×10 ⎥ ⎛ μ w⎞⎝ μf ⎠0.6= 0.0160ΔP f 2 = f 2 L 2 ρ2V 22d 2 2 = 752PaΔP el 2 = 0ΔP 2 = G2 ( v3 − v 1 ) = −1751Pa13:14:49习题讲解37ΔPf3=f3=5927Pa⎞3⎤102.769×10⎠⎥⎦⎥=0.0148a cV3==1.528m s4⎛⎡⎢f 3=0.00551+⎜20000×+⎢⎣ρ VL3 3 3c).换热器出口至试验段入口：t3=3000C p3=160bv3=0.0014166m 3kgμ3=89.36×10−6Pa⋅sρ3=1v3=705.92kgm3Wv3π 2d3热交换器Re3=d3V3v3μ3= 3.018×105试验段0.0015⎝252d32ΔPel3=ρ3gΔz3=−14530Pa ΔP 3=065⎟1ΔP3=3Kρ3V32= 1483Pa13:14:49习题讲解38⎛4V 3 == 1.409 m s= 756.4 kg m 3 ρ3 = 1a⎛ 1 1 ⎞ W 2 ΔP in = 0.7 ⎜ 2 2 ⎟5 ⎟ 3 5554 × 10 ⎠ ⎥⎦⎥ = 0.014310 ⎞ 3 ⎤ ⎝ 13 ⎢⎣ μ f 4 = 0.0055 1 + ⎜20000 × += 2.769 ×105 Re 3 = ⎢ d 3 3 ⎡d). 试验段内：t 3 = 280.60CP =160bv 3 = 0.0013065 m3kgμ3 = 97.37 ×10−6Pa ⋅ sv 33ΔP f 4 = f 4 L 4 ρ4V42d 4 2= 14049PaΔP el 4 = ρ4 g Δz 4 = 747.33 × 9.8 ×1.2 = 8789Pa ΔP 4 = G2( v 1 − v 3 ) = 1751Pa − = 13811Pa⎝ A 4 A 3 ⎠ ρ热交换器试验段ΔP ex = −σex (1 − σex ) G 2v = −4446Pa13:14:49习题讲解39c a∴ ΔP = ∑ ΔP f i i el in ex c 1 3 2 4a)(4+ ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP + ΔP i =1= (1516 + 6233) + ( 752 + 0 ) + ( 5927 − 14530 ) + (14049 + 8789 ) + 13811 − 4446 + 494 + 1483 − 1751 + 1751 = 34078Pa5.4 已知压水堆某通道出口、入口水温分别为320℃和280℃，压力为15.5 MPa，元件外径为10.72 mm，活性段高度3.89 m，栅距14.3 mm，包壳平均壁温320℃，当入口质量流密度为1.138×107 kg/(m2·s)的时候，求沿程摩擦压降、提升压降和加速压降。