核動力系統熱工水力計算方法
作者：蘇光輝 秋穗正 田文喜 等
圖書詳細信息：
ISBN：9787302307105定價：59元
印次：1-1
裝幀：平裝
印刷日期：2013-11-14
圖書簡介：
本書共分9章。第1～4章介紹核動力系統完整的建模與數值計算。第5、6章以專題的形式介紹了兩相流數值分析技術、熱工水力關鍵現象的數值模擬。第7章介紹新方法在反應堆熱工水力數值模擬方面的套用。第8章為先進反應堆系統熱工水力分析。第9章系統地展現了作者所在單位關於運動條件下的核動力裝置熱工水力特性的研究成果。本書可作為高等院校反應堆工程專業研究生的專業基礎課教材，也可供相關專業的工程技術人員參考。
前言
隨著世界核能事業的發展，核能已成為世界能源結構的重要組成部分。我國為了最佳化能源結構，制定了“積極推進核電建設”的戰略，堅持“引進、消化、吸收、再創新”的核電發展方針，組織並實施了“大型先進壓水堆和高溫氣冷堆核電站”的重大專項。先進核能系統對安全性提出了新的更高的要求。核動力系統熱工水力與安全分析計算是研究其安全性的基礎。圍繞核能系統的熱工水力與安全分析，作者及其課題組經過20多年的科研工作，取得了一些突破性的研究進展，已經建立起較為完善的研究方法與理論體系。本書是在歸納、整理和總結作者多年來的研究成果的基礎上完成的一部學術專著。同時，為了儘可能全面地反映國際研究動態，書中也介紹了其他研究者的成果。
本書共分9章。作者的分工如下：蘇光輝教授執筆第1~3章、6.2節、7.1節、8.8節、9.1節和9.4節，秋穗正教授執筆第8章和6.3節，郭玉君博士執筆第5章（不含第5節），張金玲博士執筆第4章（不含第8節和第10節），田文喜副教授執筆4.8節、5.5節、6.1節、7.2節和7.3節，巫英偉副教授執筆4.10節，現任哈爾濱工程大學教授的譚思超博士後執筆9.2節和9.3節。全書由蘇光輝教授統稿。
本書第1~4章介紹核動力系統完整的建模與數值計算。 在核反應堆的熱工水力研究領域，核能系統的瞬態模擬一直是重點和難點。這部分工作既涉及冷卻劑瞬態的熱工水力基本模型，也包含了傳熱與流動阻力模型，還包括了大量輔助模型的建立。這些模型既有來自純理論的數學推導，如冷卻劑的熱工水力基本模型，也包含了相當多的依賴於實驗得到的經驗關係式，如對流傳熱的經驗關係式、摩擦阻力係數的選取以及輔助模型中空泡份額的確定等。除此之外，核能系統的瞬態計算是多個設備相耦合的計算，一個迴路系統中就包括了堆芯、穩壓器、蒸汽發生器和主泵以及管道等的聯合建模，再加上餘熱排出等其他輔助設備，整個系統的建模是一個相對複雜和龐大的工程。多種設備、複雜模型的聯合求解對數值計算方法也提出了很高的要求，如剛性方程和非剛性方程的同時求解問題。因此，要進行核能系統的瞬態分析程式的開發，既需要研究者在熱工水力領域的基礎理論方面有深厚的功底，也需要其在數值計算方法的實現上具有相當的經驗。
第5~6章以兩個專題的形式介紹了兩相流數值分析技術、熱工水力關鍵現象的數值模擬。兩相流數值分析技術在反應堆的熱工設計與安全分析中日益受到重視，而且隨著計算機技術的提高，該數值分析技術正在飛速的發展。第5章重點介紹了目前廣泛套用的兩相流數值分析技術中採用的思想、模型以及具體的數值算法，是對兩相流數值技術一個比較完整的總結。第6章中論述了熱工水力領域非常重要的兩相流動不穩定性、臨界流等現象的數值分析方法，作者所在課題組對這些現象做了深入的研究。
近年來，反應堆的熱工水力研究領域出現了一些新的研究熱點和技術前沿問題，例如人工神經網路、小波分析、粒子法等新方法在核能領域的套用，以及新型核動力堆如超臨界水堆、熔鹽堆等的熱工設計與安全分析。從第7~9章可以發現，作者最近幾年在這些新的研究領域開展了大量深入的研究，並取得了相當豐碩的研究成果。第7章中介紹的神經網路、遺傳算法與小波分析在核能領域的套用展現了其在處理數據信息時的明顯優勢；移動粒子半隱式（MPS）方法對動態過程的真實模擬為數值模擬技術提供了新的強有力的工具。第8章的新型核動力堆的熱工設計分析是作者所在課題組在核能最新技術領域長期研究與積累的綜合展現，是本書的最大亮點之一。課題組對超臨界水堆、鈉冷快堆、行波堆、熔鹽堆等的熱工物理技術研究與安全分析做了大量的研究工作，已經走在了國際的最前沿，這對中國第四代堆進一步的設計與研發提供了重要的參考資料。
第9章系統地展現了作者所在單位關於運動條件下的核動力裝置熱工水力特性的研究成果。艦船所呈現的繞軸運動或沿軸向運動等典型以及耦合運動工況會給冷卻劑流動帶來一個附加力，這對運動條件下的流動換熱特性以及流動不穩定性和臨界熱流密度都會帶來較複雜的影響。
本書初稿成於1997年，一直用作研究生教材。十幾年來，作者不斷改進與完善書中相關內容。已故的中國科學院和中國工程院院士趙仁愷先生於1999年為本書作序。時值本書正式出版之際，著名的核動力系統熱工水力專家、中國工程院院士於俊崇先生又在百忙中熱情地為本書作序。
特別說明的是，從作者所在課題組畢業的歷屆碩士和博士研究生，對本書的形成做出了貢獻，由於時間跨度大、人員眾多，在此不具體列出名單。在書稿排版、整理及校對等方面，巫英偉博士和張大林傅士付出了艱辛的勞動，在此一併表示衷心的感謝。
作者們非常感謝導師賈斗南教授和喻真烷教授，二位導師為本書傾注了大量心血，使得本書順利交稿。
本書的出版得到了各方面的支持與幫助，特別是全國工程碩士專業學位教育指導委員會以及秘書處聯繫人、中國科學技術大學王相綦教授的鼎力支持 ，在此一併表示衷心的感謝。
限於作者水平有限，本書難免有不足和不當之處，熱切希望讀者和同行專家不吝賜教！
作者
2013年5月於西安交通大學
目錄
第1章冷卻劑熱工水力計算的基本模型1.1穩態工況下的熱工水力模型
1.1.1一維穩態單相流動的基本守恆方程
1.1.2一維穩態兩相流動的基本守恆方程
1.2瞬態工況下的熱工水力模型
1.2.1一維流動時的基本熱工水力模型
1.2.2三維流動時的基本熱工水力模型
參考文獻
第2章相關傳熱及水力學模型
2.1對流換熱模型
2.1.1單相液體對流傳熱
2.1.2欠熱沸騰區傳熱
2.1.3飽和沸騰區傳熱
2.1.4穩定膜態沸騰區或缺液區對流傳熱
2.1.5單相蒸汽對流傳熱
2.1.6界限含汽量計算
2.1.7過渡沸騰傳熱
2.1.8作者在科研中所選公式匯總
2.1.9凝結換熱
2.1.10管外壁與空氣換熱
2.2熱傳導模型
2.2.1燃料元件熱傳導方程
2.2.2包殼導熱方程
2.2.3蒸汽發生器換熱管管壁導熱方程
2.3間隙導熱
2.4阻力係數
2.4.1單相摩擦阻力係數關係式
2.4.2兩相摩擦阻力係數關係式
2.4.3局部阻力係數關係式
參考文獻
第3章輔助模型
3.1空泡份額模型
3.1.1飽和沸騰區的空泡份額
3.1.2欠熱沸騰區的空泡份額
3.2臨界熱流密度及DNBR的計算
3.2.1qCHF計算關係式
3.2.2qCHF表
3.2.3qCHF及DNBR的計算結果比較及討論
3.2.4兩相流動不穩定性對qCHF的影響
3.2.5重水堆的qCHF與臨界功率比
3.2.6臨界熱流密度的機理模型
3.3堆芯中子動力學方程
3.3.1堆芯中子動力學方程
3.3.2反應性反饋
參考文獻
第4章核動力系統穩態與瞬態熱工計算實例
4.1概述
4.2系統及設備數學物理模型
4.2.1反應堆數學物理模型
4.2.2蒸汽發生器數學物理模型
4.2.3穩壓器數學物理模型
4.3主循環泵模型
4.3.1主循環泵及四象限特性
4.3.2主循環泵狀態選擇
4.3.3環路冷卻劑流量模型
4.4非能動應急堆芯餘熱排出系統模型
4.5管道與腔室數學物理模型
4.6控制系統模型
4.6.1反應堆功率控制系統模型
4.6.2反應堆短周期保護
4.6.3穩壓器控制系統模型
4.6.4蒸汽發生器的控制系統模型
4.7輔助模型
4.8仿真系統簡介
4.9MITARS程式
4.9.1MITARS程式的編制
4.9.2MITARS程式的驗證及套用
4.10MITARS的後續開發
4.10.1MITARS?SyTar軟體的編制
4.10.2MITARS?SyTar 軟體的功能簡介
4.10.3MITARS?SyTar軟體的界面簡介
4.11穩態自然循環和程式MISARS
4.11.1MISARS程式的編制
4.11.2MISARS程式的套用
參考文獻
第5章兩相流數值分析技術和商用程式簡介
5.1兩相流基本方程的閉合
5.2數值解法簡介
5.3程式的輸入、輸出要求
5.4典型的程式結構
5.5當前開發的有關程式簡介
5.5.1TRAC程式
5.5.2RELAP5程式
5.5.3RETRAN程式
5.5.4CATHARE程式
5.5.5COBRA?TRAC程式
5.5.6PHOENICS程式
5.5.7嚴重事故分析程式
5.5.8TEXAS?Ⅵ蒸汽爆炸分析程式
5.5.9其他程式
參考文獻
第6章關鍵熱工水力現象的基本模型
6.1臨界流
6.1.1臨界流的定義
6.1.2單相臨界流
6.1.3兩相臨界流
6.1.4過熱蒸汽臨界流
6.2兩相流動不穩定性
6.2.1兩相流動不穩定性的分類
6.2.2兩相流動不穩定性的判別準則
6.3超臨界條件下流動不穩定性
參考文獻
第7章新方法在反應堆熱工水力數值模擬方面的套用
7.1小波分析、人工神經網路及遺傳算法的套用
7.1.1小波分析
7.1.2人工神經網路
7.1.3遺傳算法
7.1.4遺傳神經網路
7.1.5小波神經網路
7.2粒子法及其套用
7.2.1粒子法的提出
7.2.2移動粒子半隱式（MPS）方法
7.2.3MPS方法的套用舉例
7.3核動力系統多尺度耦合的數值模擬計算
7.3.1多尺度模擬方法簡介
7.3.2國內外研究現狀
7.3.3物理熱工耦合
7.3.4熱工水力多尺度耦合
參考文獻
第8章先進反應堆系統及其熱工水力分析
8.1超臨界水冷堆
8.1.1超臨界水冷堆概況
8.1.2超臨界水冷堆研究歷史及現狀
8.1.3超臨界水冷堆的熱工設計及安全分析
8.2鈉冷快堆
8.2.1鈉冷快堆概況
8.2.2鈉冷快堆研究歷史及現狀
8.2.3鈉冷快堆熱工水力分析研究
8.3熔鹽堆
8.3.1熔鹽堆概況
8.3.2熔鹽堆的研究歷史及現狀
8.3.3熔鹽堆堆芯物理熱工耦合及安全特性研究
8.4鉛鉍快堆
8.4.1鉛鉍快堆概況
8.4.2鉛鉍快堆研究歷史及現狀
8.4.3鉛鉍快堆熱工水力分析及設計
8.5行波堆
8.5.1行波堆概況
8.5.2行波堆研究歷史及現狀
8.5.3鈉冷行波堆熱工水力設計及安全分析
8.6球床式水冷堆
8.6.1球床式水冷堆簡介
8.6.2球床式水冷堆的熱工水力模型
8.6.3球床式水冷堆熱工水力分析
8.6.4球床堆燃料堆積床CFD模擬
8.7磁約束核聚變關鍵能量轉換部件——實驗包層
8.7.1ITER計畫和實驗包層概況
8.7.2氦冷固態陶瓷氚增殖劑實驗包層概念（HCSB TBM）
8.7.3液態金屬氚增殖劑實驗包層概念（DFLL?TBM）
8.7.4聚變裂變混合堆實驗包層概念設計
8.8磁流體流動的數值計算
8.8.1磁流體流動的迎風無格線配點法
8.8.2數值求解
參考文獻
第9章運動條件下核動力裝置的熱工水力特性
9.1運動條件下的運動條件附加力
9.1.1非慣性系動量方程[2]
9.1.2典型運動條件附加力模型
9.1.3耦合運動條件下的附加力模型
9.2繞x軸、y軸或z軸擺動對管內冷卻劑流動與換熱的影響
9.2.1繞x軸、y軸或z軸擺動對管內冷卻劑流動特性的影響
9.2.2繞x軸、y軸或z軸擺動對管內冷卻劑傳熱特性的影響
9.3運動條件對反應堆系統熱工水力特性的影響
9.3.1繞x軸、y軸或z軸擺動對自然循環流動不穩定性的實驗研究
9.3.2繞x軸、y軸或z軸擺動下自然循環流動不穩定性的非線性分析
9.4運動條件下的臨界熱流密度特徵
9.4.1運動條件下臨界熱流密度的修正
9.4.2運動條件下微液層蒸乾機理模型
參考文獻
附錄A水及水蒸氣的物性
附錄B重水的物性
附錄C鈉的物性
附錄D其他材料物性
附錄E物性計算的子程式模組
附錄FAECL?UO qCHF表的數據
