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海洋条件对螺旋管式直流蒸汽发生器流动不稳定性影响的频域分析

摘要

为实现海洋强国战略、发展海洋经济，核能的海上应用愈发受到重视，小

型模块化压水堆是海洋核动力平台的最佳选择。而螺旋管式直流蒸汽发生器

（H-OTSG）作为连接一二回路的重要枢纽，因其有热膨胀自由、单位空间换

热能力强和结构紧凑等优势，被广泛应用于小型模块化压水堆中。受海洋条件

影响，H-OTSG中的流动不稳定现象可能被提前诱发，使通道热工水力参数大

幅波动，威胁反应堆运行安全。故需研究系统参数和海洋条件参数对流动不稳

定性的影响规律，为H-OTSG的设计与运行提供建议。

本文结合文献调研得到的传热流动经验关系式，将H-OTSG二次侧传热段

分为过冷段、饱和沸腾段、恶化传热段、过热段，构建了H-OTSG螺旋管的本

构方程。根据频域控制理论，对控制方程和海洋条件附加惯性力影响公式进行

处理，得到了非海洋和海洋条件下的压降扰动传递函数。基于C++语言编制了

H-OTSG流动不稳定性频域分析程序，根据SMART设计参数进行稳态计算并对

比完成了稳态计算模块验证，根据文献直管、螺旋管参数计算流动不稳定边界，

对比实验数据和文献数值模拟结果，完成了流动不稳定性计算模块验证。

本文采用所开发程序对变系统参数和变海洋条件下的系统流动不稳定边界

进行计算，研究了系统参数和海洋条件对稳定性的影响。结果表明，本文计算

参数范围内，在给定参数下，存在一个入口过冷度的限值。通道不存在过热段

时，当过冷度低于限值，增加过冷度会导致系统稳定性降低，高于限值时，增

加过冷度会使系统的稳定区域扩大，入口阻力系数增加、出口阻力系数减小可

提高系统稳定性；当通道内存在过热段时，入口过冷度影响不存在拐点，入口

阻力系数增加，系统稳定性略有下降；质量流速、系统压力上升提高系统稳定

性；最大起伏加速度、摇摆最大角度、摇摆频率和摇摆横向偏移增加时，系统

稳定性下降；起伏和摇摆均使入口过冷度影响拐点消失。横倾与起伏、横摇组

合时，会抑制后两者对稳定性的影响，纵倾会加剧横摇影响，起伏与摇摆组合

时，异周期比同周期工况（不改变摇摆周期）更不稳定。本文研究结果可为H-

OTSG的设计和海上运行提供参考，为海洋条件下流动不稳定性分析提供帮助。

关键词：螺旋管式直流蒸汽发生器；频域法；海洋条件；流动不稳定性

海洋条件对螺旋管式直流蒸汽发生器流动不稳定性影响的频域分析

Abstract

Inordertorealizethestrategyofoceanpoweranddeveloptheoceaneconomy,

theoffshoreapplicationofnuclearenergyhasbeenpaidmoreandmoreattention.Small

modularpressurizedwaterreactor(PWR)isthebestchoiceforoffshorenuclearpower

platform.Thehelical-coilonce-throughsteamgenerator(H-OTSG)servesasacrucial

linkbetweentheprimaryandsecondaryloops.Duetoitsadvantagessuchascapability

ofaccommodatingthermalexpansion,highheattransfercapacityperunitspace,and

compactstructure,itiswidelyutilizedinsmallmodularPWRs.Influencedbyocean

conditions,flowinstabilityphenomenaintheH-OTSGmaybeprematurelytriggered,

causingsignificantfluctuationsinthermal-hydraulicparametersandposingathreatto

reactoroperationalsafety.T