基于分层界面非均匀混合的碎片床传热干涸实验评估方法

1.本发明涉及的是一种核工业领域的技术，具体是一种基于分层界面非均匀混合的碎片床传热干涸实验评估方法。


背景技术：

2.当钠冷快堆发生堆芯熔毁等严重事故时，熔融堆芯材料与冷却剂发生相互作用后，会在下腔室底部形成具有多孔介质特性的碎片床，床内冷却剂在碎片床颗粒衰变热的作用下发生沸腾，进行两相流动与传热。如果碎片床内部传热恶化，碎片床会逐渐发展到干涸导致颗粒重新熔化，熔融碎片床会接触破坏反应堆压力容器导致放射性泄漏后果。
3.熔融物与冷却剂相互作用后碎片颗粒在沉降的过程中由于重力和诱导的二次湍流作用形成小颗粒在顶部、大颗粒在底部的轴向分层碎片床结构；目前对于轴向分层碎片床传热和干涸只考虑大小颗粒完全分开轴向分层碎片床特征，未考虑分层界面处小颗粒进入大颗粒形成非均匀混合区域特性，从而导致局部毛细力、气液流动阻力及相间界面阻力受力差异较大，导致目前传热、干涸模型无法预测轴向分层床特征。而对于轴向分层碎片床大小颗粒分层界面位置，小颗粒会进入大颗粒孔隙形成孔隙较小、迂曲度较高、流动阻力较大的分层界面非均匀混合区域，会造成轴向分层碎片床传热恶化及干涸发生提前。目前，针对轴向分层碎片床传热及干涸特性中，分层界面非均匀混合典型参数及其引起的传热恶化和干涸的机理尚不明确，缺乏相关数理模型表征考虑分层界面非均匀混合特性的传热及干涸计算方法。
4.现有研究熔融物在碎片床内迁移行为的实验技术主要针对熔融物在均匀床层内的迁移流动行为，但这类技术无法测量床层内流动传热及干涸信息，无法保证轴向分层碎片床非均匀混合区域特性及其引起的传热恶化和干涸变化情况。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在无法表征和计算存在分层界面非均匀混合区域下的轴向分层碎片床传热、干涸特性的不足，提出一种基于分层界面非均匀混合的碎片床传热干涸实验评估方法，通过获取关键压差、传热、干涸信息，采用蜡固化刀具切片分离获取界面混合区域不同床层切片高度下颗粒参数特征，利用拍照统计方法统计大小颗粒数量及占比获取局部非均匀因子，然后利用压差信息建立包含局部非均匀因子的分层界面混合区域流动阻力模型；利用多孔介质传热和干涸信息，考虑分层界面非均匀混合颗粒参数特征，建立适用于轴向分层碎片床的传热和热流密度计算数学模型，计算获得轴向分层碎片床传热系数和干涸热流密度，解决目前数理模型无法预测轴向分层碎片床的传热及干涸问题。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明涉及一种基于分层界面非均匀混合特征的碎片床流动传热系数及干涸热流密度仿真方法，通过轴向分层碎片床流动传热及干涸实验，采集轴向分层碎片床流动传热及干涸实验过程中的关键压差、传热、干涸信息，通过固化切割分离技术得到大小颗粒分
层界面非均匀混合区域不同床层切片高度下颗粒参数特征，利用拍照统计方法统计大小颗粒数量及占比获取局部非均匀因子，然后利用压差信息建立包含局部非均匀因子的分层界面非均匀混合区域流动阻力模型；利用多孔介质传热和干涸信息，考虑分层界面非均匀混合颗粒参数特征，建立适用于轴向分层碎片床包含分层界面非均匀混合区域的传热和热流密度计算数学模型，计算获得轴向分层碎片床传热系数和干涸热流密度。
8.所述的轴向分层碎片床流动传热及干涸实验，基于自发热碎片床传热干涸特征综合实验系统实现，该系统包括：加压实验本体、供水系统、感应加热设备、冷却水系统和参数测量系统，其中：供水系统与加压实验本体相连，感应加热设备设置于加压实验本体内以加热碎片床容纳容器，冷却水系统与感应加热设备相连，参数测量系统分别与加压实验本体、感应加热设备和冷却水系统相连，测量压差、温度、干涸功率、冷却水流量信息，输出电流、电压指令至数据采集单元获取具体参数。
9.所述的加压实验本体包括：实验加压容器、设置于实验加压容器内的碎片床容纳容器，其中：碎片床容纳容器内设有不锈钢实验球体、作为测温组件的双开孔不锈钢球和五侧开孔的聚四氟乙烯球体和玻璃球体。
10.所述的固化切割分离技术是指：采用蜡固化碎片床特性后，通过刀具切割分离得到大小颗粒分层界面非均匀混合区域不同床层切片高度下颗粒参数特征。
11.所述的分层界面非均匀混合区域是指：分层界面位置小颗粒会进入大颗粒孔隙，形成的孔隙较小、迂曲度较高、流动阻力较大非均匀颗粒混合的局部区域。
12.所述的多孔介质压降是指单相或两相介质在混合球床组成的多孔介质中流动引起的压力损失。
13.所述的分层碎片床传热及干涸特性是指在碎片床自发热条件下与冷却剂的换热能力及当换热能力不足时碎片床开始升温熔化时对应的热流密度，计算方法是指采用实验手段获取关键碎片床颗粒性质参数，采用物理模型及数学处理考虑含分层界面非均匀混合区域性质对传热系数和干涸热流密度的影响从而得到传热和干涸预测模型的方法。
14.所述的局部非均匀因子包括：不同区域段颗粒直径非均匀因子和不同区域段孔隙率非均匀因子，其根据等效直径特征和孔隙率特征计算得到，具体为：不同区域段颗粒直径非均匀因子和不同区域段孔隙率非均匀因子其中：ds为小颗粒直径，d
l
为大颗粒直径；n
si
为小颗粒数量，n
li
为大颗粒数量，ds为小颗粒直径，d
l
为大颗粒直径，vi为不同区域体积，ws为小颗粒质量占比，w
l
为大颗粒质量占比，m
mix
为混合区域的颗粒总质量；ρs为混合区域的颗粒密度；d为容纳容器直径；l
mix
为混合区域的长度。技术效果
15.与现有技术相比，本发明通过自发热碎片床传热干涸特征综合实验系统，采用固化切割分离方式可以获取不同高度截面下非均匀混合区域颗粒非均匀性分布，通过引入非均匀因子得到非均匀混合颗粒性质，能够精确计算界面混合区域流动、传热系数获取混合区域传热恶化的情况，获得了考虑分层界面混合区域非均匀性导致干涸热流密度下降的计算方法，模型可为轴向分层碎片床干涸热流密度预测提供机理模型。
附图说明
16.图1为本发明流程图；
17.图2为本发明结构示意图；
18.图3为电磁感应加热系统示意图；
19.图4为碎片床层设置示意图；
20.图5为局部测温元件示意图；
21.图6为固化分离示意图；
22.图7为分层界面混合区域特性实验图；
23.图8为文献喉部干涸模型预测图；
24.图9为考虑分层界面混合区域模型计算图；
25.图中：1液位计、2供水容器、3电加热系统、4止回阀、5液体流量计、6电动阀门、7三通阀门、8感应加热系统、9感应加热线圈、10实验加压容器、11气体流量计、12换热器、13压力传感器、14空泡份额探针、15泵、16碎片床容纳容器、17测温组件、18排污管线、19进口热电偶、20出口热电偶、81感应加热铜排、82感应加热变压器、83冷却回路热交换器、84冷却水泵、171双开孔不锈钢球、172五侧开孔的聚四氟乙烯球体。
具体实施方式
26.如图2所示，为本实施例涉及的一种自发热碎片床传热干涸特征综合实验系统，包括：加压实验本体、供水系统、感应加热设备、冷却水系统和参数测量系统，其中：供水系统与加压实验本体相连，感应加热设备设置于加压实验本体内以加热碎片床容纳容器16，冷却水系统与感应加热设备相连，参数测量系统分别与加压实验本体、感应加热设备和冷却水系统相连，测量压差、温度、干涸功率、冷却水流量信息，输出电流、电压指令至数据采集单元获取具体参数。
27.如图2和图4所示，所述的加压实验本体包括：实验加压容器10、设置于实验加压容器10内的碎片床容纳容器16，其中：碎片床容纳容器16内设有作为测温组件17的双开孔不锈钢球171和五侧开孔的聚四氟乙烯球体172和玻璃球体。
28.如图4所示，所述的碎片床容纳容器16上分别设有压力传感器13和空泡份额探针14以分别检测内部压力和空泡份额信息，碎片床容纳容器16的四周设有对应贯穿孔，贯穿孔采用高温密封胶进行密封。
29.所述的压力传感器13优选均匀设置于碎片床容纳容器侧方，获取不同位置下压力。
30.所述的碎片床容纳容器16进出口各设置有一组热电偶19和热电偶20，获取进出口温度，以获取整体传热量。
31.所述的碎片床容纳容器16的轴向中间位置交错设置至少10个测温组件17，其上方和下方分别设置玻璃球体，以减小进出口效应。
32.如图5所示，所述的不锈钢球171内设有不同深度的热电偶，以获取单一颗粒内部的温度分布，即局部热流密度；五侧开孔的聚四氟乙烯球体172的正中心设置有热电偶，以获取流体温度，从而测得传热系数。
33.所述的碎片床容纳容器16由聚四氟乙烯材料制成。
34.所述的供水系统包括：带有电加热系统3和液位计1的供水容器2，其中：供水容器2分别通过输送管线和回流管线与加压实验本体相连。
35.所述的供水容器2和实验加压容器10为304钢制压力容器，耐压达2mpa，设计温度达250℃，可满足实验承压和补水需求。
36.如图3所示，所述的感应加热设备包括：感应加热线圈9、铜排81、感应加热变压器82、热交换器83和冷却水泵84，其中：感应加热线圈9设置于碎片床容纳容器16外部并与铜排81和感应加热变压器82构成回路，铜排81通过热交换器83和冷却水泵84实现水冷。
37.所述的感应加热线圈9采用螺旋铜管制成，以满足较大的电流输送要求，铜管内部与水回路连接进行冷却铜管自发热。
38.。所述的感应加热变压器82最大输出功率为200kw，最大频率为200khz，可满足对不锈钢等弱导磁材料的加热需求。
39.所述的冷却水系统包括：热交换器83和冷却水泵84。
40.所述的参数测量系统，包括：温度测量系统、功率测量系统、流量测量系统和压差测量系统，其中：温度测量系统分别测量热电偶温度、碎片床水温、碎片床温度并输出至数据采集单元，功率测量系统采集电磁感应线圈功率，流量测量系统采集冷却水流量、蒸汽流量并输出至数据采集单元，压差测量系统采集碎片床各个部位之间的压力及压差信息并输出至数据采集单元。
41.如图1所示，为本实施例基于上述装置的基于分层界面非均匀混合特征的碎片床流动传热及干涸计算方法，包括以下步骤：
42.步骤1：搭建自发热碎片床传热干涸特征综合实验系统，轴向分层碎片床流动传热及干涸实验，获取分层碎片床实验过程中的各位置压差信息p、颗粒171中r1位置对应热电偶温度t1，r2位置对应热电偶温度t2，及颗粒172中对应温度t3及干涸热流密度。
43.步骤2：碎片床固化与分离获取区域非均匀性：实验结束后将液相介质排干，利用感应加热设备控制碎片床容纳容器16内不锈钢实验球体恒温加热100℃，在碎片床顶部填充蜡液，蜡液填充充分后停止加热，使蜡液凝固将整体碎片床固定后，拆卸移出容器16内被固定的不锈钢实验球体段；将碎片床分层界面非均匀混合区域切除保留，测出混合区域高度l
mix
；将分层界面非均匀混合区域横剖及纵剖切割，采用拍照统计图像处理法获取不同分层界面非均匀混合区域大小颗粒数量，计算等效直径特征、孔隙率特征。
44.所述的等效直径特征，通过以下方式得到：将整个分层界面非均匀混合区域高度分成n个等份，每段高度满足：d
max
《li《10d
max
，利用拍照统计获取不同区域的小颗粒数量n
si
和大颗粒数量n
li
，计算每个非均匀混合区域段等效直径其中：ds为小颗粒直径(单位为m)，d
l
为大颗粒直径(单位为m)。
45.所述的小颗粒是指：与分层碎片床分层界面顶部不锈钢实验球体直径相同的颗粒。
46.所述的大颗粒是指：与分层碎片床分层界面底部不锈钢实验球体直径相同的颗粒。
47.所述的孔隙率特征，通过以下方式得到：根据不同区域的小颗粒数量n
si
和大颗粒
数量n
li
，计算得到不同区域的孔隙率其中：n
si
为小颗粒数量，n
li
为大颗粒数量，ds为小颗粒直径(单位为m)，d
l
为大颗粒直径(单位为m)，vi为不同区域体积(单位为m3)。
48.步骤3：如图6所示，根据等效直径特征、孔隙率特征，计算整体颗粒平均直径和孔隙率，计算非均匀因子，具体包括：
49.3.1)采用高温烘箱熔化和/或高于蜡熔点的高温水分离混合颗粒上的固体蜡柱后，对不锈钢实验球体进行烘干获取不同颗粒占比和总质量。
50.3.2)根据占比和总质量计算分层界面非均匀混合区域平均孔隙率和等效颗粒直径，具体为：混合区域高度l
mix
参数采用直接测量法，通过计算得到非均匀混合区域的孔隙率ε
eff
＝1-和非均匀混合区域的等效颗粒直径其中：ws为小颗粒质量占比；ds为小颗粒直径(单位为m)；w
l
为大颗粒质量占比；d
l
大颗粒直径(单位为m)；m
mix
为混合区域的颗粒总质量(单位为kg)；ρs为混合区域的颗粒密度(单位为kg/m3)；d为容纳容器直径(单位为m)；l
mix
为混合区域的长度(单位为m)。
51.3.3)计算得到不同区域段颗粒直径非均匀因子和不同区域段孔隙率非均匀因子
52.步骤4：如图3所示，p4与p3压差包含大颗粒段压差及混合段压差，其中大颗粒段压差为建立包含非均匀因子的适用于分层界面非均匀混合区域的多孔介质压降模型，包括：液相压降模型和气相压降模型。所述的液相压降模型为：所述的液相压降模型为：气相压降模型为：气相压降模型为：其中：ρ
l
为液相介质密度(单位为kg/m3)；ρv为气相介质密度(单位为kg/m3)；g为重力加速度(单位为m/s2)；l为压差测点距离(单位为m)；d
eff
为混合区域等效颗粒直径(单位为m)；ε
eff
为混合区域的孔隙率；μ
l
为液相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)；μv为气相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)；k
rl
和k
rv
分别为液相及气相渗透率；η
rl
和η
rv
分别为液相及气相通过性；v
l
和vv为液相及气相的表观速度(单位为m/s)；l
mix
为混合区域长度(单位为m)；d
l
大颗粒直径(单位为m)；ε
l
为混合区域的孔隙率；li为每段切割高度。
53.步骤5：计算分层非均匀混合区域传热系数：
54.测得分层界面分均匀混合区域两根热电偶温度t1和t2，根据热电偶设置的半径位
置r1和r2，获得局部的球体热流量，其中：q为单个球体产生的热流量(单位为w)；λ为不锈钢球体导热系数(单位为w/(m
·
k))；t1为位置处于半径r1处热电偶的测量温度(单位为℃)；t2为位置处于半径r1处热电偶的测量温度(单位为℃)；获取碎片床局部传热系数，需要获得球体表面温度，根据球体内部热电偶设置，球体表面温度，其中：ts为球体表面温度(单位为℃)；r为不锈钢球体171半径(单位为m)；从而获得碎片床非均匀混合区域局部传热系数和努赛尔数利用非均匀混合区域颗粒性质，计算得到分层界面混合区域传热表达式nu＝a+br痀cprd，其中：nu为努赛尔数，pr为普朗特数，re为局部非均匀因子建立的水力直径雷诺数其中：ρ
l
为液相介质密度(单位为kg/m3)；v为表观平均速度(单位为m/s)；d
eff
为混合区域等效颗粒直径(单位为m)；μ
l
为液相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)；φ
id
为不同区域段颗粒直径非均匀因子；φ
iε
为不同区域段孔隙率非均匀因子。
55.步骤6：计算考虑界面非均匀混合区域性质的干涸热流密度：利用非均匀混合区域颗粒性质，建立预测包含分层界面混合区域性质的干涸热流密度模型：颗粒性质，建立预测包含分层界面混合区域性质的干涸热流密度模型：颗粒性质，建立预测包含分层界面混合区域性质的干涸热流密度模型：其中：j为leverret函数；θ为浸润角；s为液体饱和度；q为干涸热流密度(单位为kw/m2)；μ
l
为液相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)；μv为气相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)；d为不同床层颗粒直径(单位为m)；ε为不同床层孔隙率。
56.步骤7：对上述包含分层界面非均匀混合区域的干涸热流密度模型进行计算，可以准确获得分层碎片床干涸热流密度数值及干涸发生的位置信息，计算得到的结果可为反应堆发生堆芯熔毁事故时形成的轴向分层碎片床干涸热流密度极限提供参考，为后续熔堆事故后果缓解提供数值参考。
57.经过具体实际实验，在1mm和6mm不锈钢实验球体轴向分层碎片床的具体环境设置下，测得干涸热流密度值为15kw/m2，干涸发生在分层界面混合区域内，如图8所示。喉部模型未考虑分层界面混合区域性质，预测干涸位置发生在分层界面点上，且无法预测碎片床内部的饱和度变化情况，如图9所示；考虑分层界面非均匀混合区域性质的干涸热流密度预测模型可以正确预测干涸发生在分层界面混合区域内，可以考虑沿高度方向床层内部饱和度的变化情况，与实验预测效果较好。
58.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种基于分层界面非均匀混合特征的碎片床流动传热系数及干涸热流密度仿真方法，其特征在于，通过轴向分层碎片床流动传热及干涸实验，采集轴向分层碎片床流动传热及干涸实验过程中的关键压差、传热、干涸信息，通过固化切割分离技术得到大小颗粒分层界面非均匀混合区域不同床层切片高度下颗粒参数特征，利用拍照统计方法统计大小颗粒数量及占比获取局部非均匀因子，然后利用压差信息建立包含局部非均匀因子的分层界面非均匀混合区域流动阻力模型；利用多孔介质传热和干涸信息，考虑分层界面非均匀混合颗粒参数特征，建立适用于轴向分层碎片床包含分层界面非均匀混合区域的传热和热流密度计算数学模型，计算获得轴向分层碎片床传热系数和干涸热流密度。2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征是，所述的轴向分层碎片床流动传热及干涸实验，基于自发热碎片床传热干涸特征综合实验系统实现，该系统包括：加压实验本体、供水系统、感应加热设备、冷却水系统和参数测量系统，其中：供水系统与加压实验本体相连，感应加热设备设置于加压实验本体内以加热碎片床容纳容器，冷却水系统与感应加热设备相连，参数测量系统分别与加压实验本体、感应加热设备和冷却水系统相连，测量压差、温度、干涸功率、冷却水流量信息，输出电流、电压指令至数据采集单元获取具体参数；所述的加压实验本体包括：实验加压容器、设置于实验加压容器内的碎片床容纳容器，其中：碎片床容纳容器内设有不锈钢实验球体、作为测温组件的双开孔不锈钢球和五侧开孔的聚四氟乙烯球体和玻璃球体。3.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征是，所述的固化切割分离技术是指：采用蜡固化碎片床特性后，通过刀具切割分离得到大小颗粒分层界面非均匀混合区域不同床层切片高度下颗粒参数特征。4.根据权利要求2所述的自发热碎片床传热干涸特征综合实验系统，其特征是，所述的碎片床容纳容器上分别设有压力传感器和空泡份额探针以分别检测内部压力和空泡份额信息，碎片床容纳容器的四周设有对应贯穿孔，贯穿孔采用高温密封胶进行密封；碎片床容纳容器的轴向中间位置交错设置若干测温组件，其上方和下方分别设置玻璃球体，以减小进出口效应；所述的不锈钢球内设有不同深度的热电偶，以获取单一颗粒内部的温度分布，即局部热流密度；五侧开孔的聚四氟乙烯球体的正中心设置有热电偶，以获取流体温度，从而测得传热系数；所述的分层界面非均匀混合区域是指：分层界面位置小颗粒会进入大颗粒孔隙，形成的孔隙较小、迂曲度较高、流动阻力较大非均匀颗粒混合的局部区域。5.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征是，所述的多孔介质压降是指单相或两相介质在混合球床组成的多孔介质中流动引起的压力损失。6.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征是，所述的分层碎片床传热及干涸特性是指在碎片床自发热条件下与冷却剂的换热能力及当换热能力不足时碎片床开始升温熔化时对应的热流密度，计算方法是指采用实验手段获取关键碎片床颗粒性质参数，采用物理模型及数学处理考虑含分层界面非均匀混合区域性质对传热系数和干涸热流密度的影响从而得到传热和干涸预测模型的方法。7.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征是，所述的局部非均匀因子包括：不同区域段颗粒直径非均匀因子和不同区域段孔隙率非均匀因子，其根据等效直径特征和孔隙率特
征计算得到，具体为：不同区域段颗粒直径非均匀因子和不同区域段孔隙率非均匀因子其中：d
s
为小颗粒直径，d
l
为大颗粒直径；n
si
为小颗粒数量，n
li
为大颗粒数量，d
s
为小颗粒直径，d
l
为大颗粒直径，v
i
为不同区域体积。8.根据权利要求1-7中任一所述的仿真方法，其特征是，具体包括：步骤1、搭建自发热碎片床传热干涸特征综合实验系统，轴向分层碎片床流动传热及干涸实验，获取分层碎片床实验过程中的各位置压差信息p、颗粒中r1位置对应热电偶温度t1、r2位置对应热电偶温度t2、颗粒中对应温度t3以及干涸热流密度；步骤2、碎片床固化与分离获取区域非均匀性：实验结束后将液相介质排干，利用感应加热设备控制碎片床容纳容器内不锈钢实验球体恒温加热100℃，在碎片床顶部填充蜡液，蜡液填充充分后停止加热，使蜡液凝固将整体碎片床固定后，拆卸移出容器内被固定的不锈钢实验球体段，将碎片床分层界面非均匀混合区域切除保留，测出混合区域高度l
mix
，将分层界面非均匀混合区域横剖及纵剖切割，采用拍照统计图像处理法获取不同分层界面非均匀混合区域大小颗粒数量，计算等效直径特征、孔隙率特征；步骤3、根据等效直径特征、孔隙率特征，计算整体颗粒平均直径和孔隙率，计算非均匀因子，具体包括：3.1)采用高温烘箱熔化和/或高于蜡熔点的高温水分离混合颗粒上的固体蜡柱后，对不锈钢实验球体进行烘干获取不同颗粒占比和总质量；3.2)根据占比和总质量计算分层界面非均匀混合区域平均孔隙率和等效颗粒直径，具体为：混合区域高度l
mix
参数采用直接测量法，通过计算得到非均匀混合区域的孔隙率参数采用直接测量法，通过计算得到非均匀混合区域的孔隙率和非均匀混合区域的等效颗粒直径其中：w
s
为小颗粒质量占比，d
s
为小颗粒直径(单位为m)，w
l
为大颗粒质量占比，d
l
大颗粒直径(单位为m)，m
mix
为混合区域的颗粒总质量(单位为kg)，ρ
s
为混合区域的颗粒密度(单位为kg/m3)，d为容纳容器直径(单位为m)，l
mix
为混合区域的长度(单位为m)；3.3)计算得到不同区域段颗粒直径非均匀因子和不同区域段孔隙率非均匀因子步骤4、建立包含非均匀因子的适用于分层界面非均匀混合区域的多孔介质压降模型，包括：液相模型气相模型其
中：ρ
l
为液相介质密度(单位为kg/m3)；ρ
v
为气相介质密度(单位为kg/m3)；g为重力加速度(单位为m/s2)；l为压差测点距离(单位为m)；d
eff
为混合区域等效颗粒直径(单位为m)；ε
eff
为混合区域的孔隙率；μ
l
为液相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)；μ
v
为气相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)；k
rl
和k
rv
分别为液相及气相渗透率；η
rl
和η
rv
分别为液相及气相通过性；v
l
和v
v
为液相及气相的表观速度(单位为m/s)；l
mix
为混合区域长度(单位为m)；d
l
大颗粒直径(单位为m)；ε
l
为混合区域的孔隙率；l
i
为每段切割高度；步骤5、计算分层非均匀混合区域传热系数：测得分层界面分均匀混合区域两根热电偶温度t1和t2，根据热电偶设置的半径位置r1和r2，获得局部的球体热流量，其中：q为单个球体产生的热流量(单位为w)，λ为不锈钢球体导热系数(单位为w/(m
·
k))，t1为位置处于半径r1处热电偶的测量温度(单位为℃)，t2为位置处于半径r1处热电偶的测量温度(单位为℃)，获取碎片床局部传热系数，需要获得球体表面温度，根据球体内部热电偶设置，球体表面温度，其中：t
s
为球体表面温度(单位为℃)，r为不锈钢球体半径(单位为m)，从而获得碎片床非均匀混合区域局部传热系数和努赛尔数利用非均匀混合区域颗粒性质，计算得到分层界面混合区域传热表达式nu＝a+bre
c
pr
d
，其中：nu为努赛尔数，pr为普朗特数，re为局部非均匀因子建立的水力直径雷诺数其中：ρ
l
为液相介质密度(单位为kg/m3)，v为表观平均速度(单位为m/s)，d
eff
为混合区域等效颗粒直径(单位为m)，μ
l
为液相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)，φ
id
为不同区域段颗粒直径非均匀因子，φ
iε
为不同区域段孔隙率非均匀因子；步骤6、计算考虑界面非均匀混合区域性质的干涸热流密度：利用非均匀混合区域颗粒性质，建立预测包含分层界面混合区域性质的干涸热流密度模型：性质，建立预测包含分层界面混合区域性质的干涸热流密度模型：性质，建立预测包含分层界面混合区域性质的干涸热流密度模型：其中：j为leverret函数，θ为浸润角，s为液体饱和度，q为干涸热流密度(单位为kw/m2)，μl为液相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)，μ
v
为气相介质动力粘度(单位为n
·
s/m2)，d为不同床层颗粒直径(单位为m)，ε为不同床层孔隙率；步骤7、对上述包含分层界面非均匀混合区域的干涸热流密度模型进行计算，获得分层碎片床干涸热流密度数值及干涸发生的位置信息，作为反应堆发生堆芯熔毁事故时形成的轴向分层碎片床干涸热流密度极限提供参考。9.根据权利要求8所述的仿真方法，其特征是，所述的等效直径特征，通过以下方式得到：将整个分层界面非均匀混合区域高度分成n个等份，每段高度满足：d
max
<l
i
<10d
max
，利用拍照统计获取不同区域的小颗粒数量n
si
和大颗粒数量n
li
，计算每个非均匀混合区域段等
效直径其中：d
s
为小颗粒直径(单位为m)，d
l
为大颗粒直径(单位为m)；所述的小颗粒是指：与分层碎片床分层界面顶部不锈钢实验球体直径相同的颗粒；所述的大颗粒是指：与分层碎片床分层界面底部不锈钢实验球体直径相同的颗粒。10.根据权利要求9所述的仿真方法，其特征是，所述的孔隙率特征，通过以下方式得到：根据不同区域的小颗粒数量n
si
和大颗粒数量n
li
，计算得到不同区域的孔隙率，计算得到不同区域的孔隙率其中：n
si
为小颗粒数量，n
li
为大颗粒数量，d
s
为小颗粒直径(单位为m)，d
l
为大颗粒直径(单位为m)，v
i
为不同区域体积(单位为m3)。

技术总结
一种基于分层界面非均匀混合的碎片床传热干涸实验评估方法，通过轴向分层碎片床流动传热及干涸实验，采集轴向分层碎片床流动传热及干涸实验过程中的关键压差、传热、干涸信息，通过固化切割分离技术得到大小颗粒分层界面非均匀混合区域不同床层切片高度下颗粒参数特征，利用拍照统计方法统计大小颗粒数量及占比获取局部非均匀因子，然后利用压差信息建立包含局部非均匀因子的分层界面非均匀混合区域流动阻力模型；利用多孔介质传热和干涸信息，考虑分层界面非均匀混合颗粒参数特征，建立适用于轴向分层碎片床包含分层界面非均匀混合区域的传热和热流密度计算数学模型，计算获得轴向分层碎片床传热系数和干涸热流密度，解决目前数理模型无法预测轴向分层碎片床的传热及干涸问题。传热及干涸问题。传热及干涸问题。


技术研发人员：佟立丽 邹文斌 曹学武
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/9