密度锁界面层内波动初探.pdfVIP

中国核科学技术进展报告（第一卷） 核能动力分卷（下） Progress Report on China Nuclear Science Technology （Vol.1 ） 2009 年11 月 密度锁界面层内波动初探 于 沛，阎昌琪，谷海峰 （哈尔滨工程大学核科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150001 ） 摘要：密度锁界面层内存在界面波动，本文首先分析了密度锁内流体分层界面产生波动的原因，得到结论，界面波 动是由于流体流动产生的压力差和流体浮力两个力相互作用而产生的，微小的流体流动就会引起界面的波动。并根 据 Eular 运动方程、连续性方程和流体的流动特性等推导出该界面波的运动方程。根据对方程讨论结果表明，界面 波的波动幅度等由混合层内流体的流场决定，由于温度差产生的密度差对该界面波动的频率有影响。 关键词：密度锁；界面波动原因；波动方程 20 世纪 80 年代以来，以美国西屋公司为代表，在反应堆的设计中采用了非能动安全技术。在 新型反应堆的设计中非能动安全系统方面也有所创新，其中一个重要的方法就是采用密度锁技术。 密度锁是一种安装在反应堆冷却剂边界通过水力平衡将反应堆的正常冷却系统与事故冷却系统隔开 的设备。密度锁内部没有挡板和运动部件，完全靠特殊的结构和冷热流体的密度差使冷热流体分开， 当密度锁中的流体分层平衡被打破时，密度锁会自动打开，事故冷却系统投入运行，依靠上下密度 [1-2] 锁的高位差，通过自然循环进行堆芯冷却 。 国内学者对于“密度锁”这一技术进行了初步研究，根据温度分层和流体流动特性将密度锁内 [3-5] 流体分成四个区域，分别是混合层、界面层、导热层和恒温层 。界面层正是密度锁能够完成其功 [6] 能的关键区域，它能够隔离冷热流体，阻碍扰动的下传。根据相关的研究发现 ，在扰动作用下界 面层内存在界面波动，可用界面波来描述界面层内流体波动特性。因此，本文分析了界面波产生的 原因，并根据Eular 运动方程、连续性方程和流体的流动特性等分析该界面波的运动方程，最后对运 动方程进行适当的讨论。弄清楚界面波产生的原因及波动特性对于研究密度锁内分层界面的稳定性 有重要的意义，它是密度锁内分层机理研究中的重要环节。 1 界面波产生的原因分析 当密度锁内流体处于稳定分层状态（即流体密度上轻下重分布）时，假设这部分存在密度差的 流体初始状态静止，如果整个水层或上方水体受到上下方向上的微小波动，该波动会使流场变化引 起水体的质量传输，使水体的动能转换成位能，造成水体震荡。密度锁内存在的微小的密度差能使 水体本身的浮力增大，因而在竖直方向上由于浮力引起的上下波动就显著起来，这就产生了波动行 为。在流体密度分层的某深处，设垂直方向上的密度梯度为dρ dz （向上为z ，dρ dz 0 ），这个 值越小，界面越会缓慢的上下运动。在这种分析中浮力起着复元作用，而驱动力是外界波动引起的 密度锁内流体产生的压力差。 图1 具体解释这种动能转换成位能的过程。 假设在某一时刻，有一股入口流速为v 的流体涌入密度锁，假设流体在流场中垂直方向上的变 [7] 化与其他流动参量相比可以忽略不计，那么根据伯努利方程 可知： 作者简介：于 沛(1985—)，女，研究生，现主要从事反应堆热工水力研究工作 基金项目：国家自然科学基金资助项目 652 2 v p + C （1） 2 ρ