張文超 肖 雯 金光遠(yuǎn) 杜利鵬

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

隨著世界能源需求的增長，能源動(dòng)力行業(yè)中流動(dòng)換熱設(shè)備的效率已越來越為人們所關(guān)注，提高其效率的關(guān)鍵在于對(duì)流動(dòng)和換熱特性機(jī)理的深入研究[1～4]，其中自然循環(huán)系統(tǒng)的流動(dòng)與傳熱特性是研究熱點(diǎn)之一。

自然循環(huán)是指在閉合系統(tǒng)中僅依靠冷熱流體間的密度差和高度差形成的浮升力驅(qū)動(dòng)流體而形成的循環(huán)流動(dòng)[5]。自然循環(huán)系統(tǒng)不需要外部動(dòng)力便可維持流動(dòng)介質(zhì)在設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)，具有安全性高、節(jié)省能源及系統(tǒng)運(yùn)行噪音低等優(yōu)點(diǎn)，在核動(dòng)力反應(yīng)堆及鍋爐、太陽能加熱[6～8]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此對(duì)自然循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究也得到了廣泛關(guān)注(主要包括對(duì)其流動(dòng)及傳熱等機(jī)理的研究)。然而目前描述自然循環(huán)系統(tǒng)在能源動(dòng)力行業(yè)中的應(yīng)用與研究進(jìn)展的文獻(xiàn)較少。

在此，筆者闡述了自然循環(huán)技術(shù)在能源動(dòng)力行業(yè)中的應(yīng)用和研究進(jìn)展，總結(jié)了自然循環(huán)原理的研究熱點(diǎn)，討論了自然循環(huán)的研究趨勢(shì)，以期為其進(jìn)一步研究提供參考。

1 自然循環(huán)在能源動(dòng)力行業(yè)中的應(yīng)用

1.1核電領(lǐng)域

核電對(duì)于改善環(huán)境壓力、緩解能源電力緊張具有重要作用，但如果發(fā)生核泄漏事故，其危害也較大，因此核電領(lǐng)域?qū)τ诜磻?yīng)堆的安全性要求非常高。2011年日本發(fā)生的福島核電事故對(duì)包括中國在內(nèi)的整個(gè)核能發(fā)電領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響，其中一個(gè)重要的原因是在事故過程中電站失去所有外部電源，無法利用泵等能動(dòng)方法排出堆芯余熱，而非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)排熱能力不足，導(dǎo)致熱量無法排出，最終造成事故的發(fā)生。

從核電的發(fā)展歷史來看，每次核事故雖然都產(chǎn)生了負(fù)面影響，但同時(shí)也極大地促進(jìn)了核電安全標(biāo)準(zhǔn)的提高和核電技術(shù)的發(fā)展，在福島核電事故后，核電領(lǐng)域更加強(qiáng)調(diào)自然循環(huán)等非能動(dòng)安全技術(shù)的應(yīng)用。筆者以自然循環(huán)技術(shù)在核反應(yīng)堆中的典型應(yīng)用(包括一回路系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、AP1000非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)和瑞典PIUS堆中的自然循環(huán)密度鎖系統(tǒng))為對(duì)象進(jìn)行分析。

1.1.1一回路系統(tǒng)

核電站一回路(圖1)是一個(gè)自然循環(huán)系統(tǒng)，其中反應(yīng)堆堆芯中流體被加熱，是回路熱源，放在比較低的位置，較高處的蒸汽發(fā)生器冷卻一回路流體是回路冷源，如此便在蒸汽發(fā)生器與反應(yīng)堆之間高度差和冷熱段密度差的作用下產(chǎn)生自然循環(huán)流動(dòng)，帶出堆芯中產(chǎn)生的熱量。

圖1 壓水反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)

在核反應(yīng)堆中，除了核電站一回路外，核潛艇也充分利用了自然循環(huán)原理。外軍第五代核潛艇可實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)巡航[9]，俄羅斯研制的新一代核潛艇甚至達(dá)到了100%的自然循環(huán)能力[10]，即在自然循環(huán)模式下，不需要開啟主泵就可以滿負(fù)荷運(yùn)行，這極大地增強(qiáng)了潛艇的隱身能力。

目前，對(duì)于反應(yīng)堆一回路自然循環(huán)系統(tǒng)的研究主要集中在對(duì)自然循環(huán)流量的相關(guān)研究上。郝承明等利用RELAP5軟件對(duì)一體化反應(yīng)堆強(qiáng)迫循環(huán)轉(zhuǎn)自然循環(huán)過程的瞬態(tài)特性進(jìn)行了分析，探討了反應(yīng)堆功率、主泵阻力及主泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素對(duì)轉(zhuǎn)換過程瞬態(tài)特性的影響規(guī)律[11]。宮厚軍等同樣對(duì)一體化反應(yīng)堆自然循環(huán)流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了不同傾斜角度下的單相自然循環(huán)流量特性，得出了不同傾斜角度與流量之間的關(guān)系[12]。盧川等分別利用CFD和RELAP5軟件對(duì)堆芯內(nèi)的流量分布進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆堆芯采用閉式通道和設(shè)置提升筒可以提高堆芯內(nèi)的安全性[13]。謝仁富等提出了一種基于16Nγ噪聲監(jiān)測(cè)和相關(guān)分析的測(cè)量方法，不用插入管道即可實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定可靠的測(cè)量一回路自然循環(huán)流量的功能[14]。

1.1.2余熱排出系統(tǒng)

非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)(圖2)是核反應(yīng)堆在事故狀態(tài)下或正常停堆后排出堆芯熱量的重要手段，非能動(dòng)余熱排出熱交換器放在安全殼內(nèi)換料水儲(chǔ)存箱里，換料水箱作為冷源，其位置高于作為熱源的反應(yīng)堆堆芯，當(dāng)余熱排出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，堆芯內(nèi)的水受熱密度降低，而換料水箱內(nèi)的水通過熱交換器冷卻，通過熱交換器和堆芯的高度差和流體的密度差形成自然循環(huán)流動(dòng)，從而帶出堆芯的熱量，確保反應(yīng)堆的安全。

圖2 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)

近年來，對(duì)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的研究主要集中于運(yùn)行特性分析和余熱排出系統(tǒng)中的換熱器數(shù)值模擬。陳薇等模擬了安全殼內(nèi)置換料水箱中典型的氣液兩相自然循環(huán)特性，發(fā)現(xiàn)C型換熱器增加了管外流體流場(chǎng)分布的不均勻性，增加了大容積水池內(nèi)的自然循環(huán)能力，但換熱器彎管和水平管的局部區(qū)域發(fā)生了氣泡聚集[15]。宋陽等以管內(nèi)、外耦合的方法研究了水箱中心管束內(nèi)和水箱內(nèi)自然循環(huán)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)水箱內(nèi)的流體呈現(xiàn)為復(fù)雜的螺旋式運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了多處漩渦，強(qiáng)化了換熱效果[16]。范書淳等對(duì)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的瞬態(tài)熱工水力運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆發(fā)生斷電事故后，系統(tǒng)自然循環(huán)可以很快建立[17]。Sun L等用C++編制代碼對(duì)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的10MW熔鹽實(shí)驗(yàn)堆進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)自然循環(huán)和傳熱能力的研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠排出反應(yīng)堆產(chǎn)生的余熱[18]。Min B Y等用VISTA- ITL代碼分析了SMART反應(yīng)堆的余熱排出系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下不同尺度功率和自然循環(huán)流速的關(guān)系[19]。Nitin M等對(duì)含有重力驅(qū)動(dòng)水池的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)建立的自然對(duì)流現(xiàn)象進(jìn)行了三維數(shù)值分析，包括傳熱過程和溫度場(chǎng)分布[20]。

1.1.3AP1000非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)

AP1000壓水反應(yīng)堆核電站的安全殼通過鋼殼內(nèi)外的自然循環(huán)和自然對(duì)流排出堆芯的熱量，如圖3所示。非能動(dòng)安全殼系統(tǒng)利用一個(gè)鋼制安全殼殼體作為傳熱表面，蒸汽在安全殼內(nèi)表面冷凝并加熱內(nèi)表面，然后通過導(dǎo)熱將熱量傳遞至鋼殼體。受熱的鋼殼體外表面通過對(duì)流、輻射及物質(zhì)傳遞(水蒸發(fā))等熱傳遞機(jī)理，由水和空氣冷卻。熱量以顯熱和水蒸氣的形式通過自然循環(huán)的空氣帶出，如此安全殼內(nèi)部形成自然對(duì)流，安全殼外部形成自然循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)至少3天內(nèi)不需要操作員的干預(yù)。

圖3 非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)示意圖

由于大容器內(nèi)容易形成熱分層，不利于自然循環(huán)流動(dòng)的形成，因此目前的研究熱點(diǎn)主要集中在熱分層的研究上。Yu Y等基于熱分層理論，針對(duì)鋼制安全殼內(nèi)、外的自然循環(huán)過程，建立一維計(jì)算模型，得到了安全殼內(nèi)的溫度、壓力和組分的分布[21]。Cheng X等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析了嚴(yán)重事故以后復(fù)合材料安全殼的空氣自然對(duì)流和輻射換熱特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)熱輻射明顯地加強(qiáng)了熱量傳遞[22]。黃政采用RELAP5和MELCOR結(jié)合的方式，計(jì)算安全殼和非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)能夠在一定時(shí)問內(nèi)有效實(shí)現(xiàn)安全殼降溫、降壓，但長期階段仍需進(jìn)行補(bǔ)水降溫[23]。黃代順等利用計(jì)算CFD的程序平臺(tái)CASTEM，開發(fā)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的冷凝、蒸發(fā)模型，模擬了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下的傳熱傳質(zhì)特性[24]。Zhao G Z等利用RELAP5對(duì)非能動(dòng)安全殼外部冷卻系統(tǒng)的兩相自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)外部冷卻系統(tǒng)有很好的冷卻作用，并分析了壓力和過冷度對(duì)自然循環(huán)流量的影響[25]。

1.1.4瑞典PIUS堆中的自然循環(huán)密度鎖系統(tǒng)

PIUS反應(yīng)堆中密度鎖技術(shù)是一種僅依靠密度差分別實(shí)現(xiàn)流體自發(fā)流動(dòng)和流動(dòng)截至的技術(shù)，其本質(zhì)是對(duì)自然循環(huán)原理的利用，系統(tǒng)原理示意圖如圖4所示。反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，由于主冷卻劑通道和事故回路通道內(nèi)的流體密度不同，便會(huì)在密度鎖內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的分界面，它可以有效阻止兩通道內(nèi)的流體相互攪混，同時(shí)能夠使高濃度含硼水池與主冷卻劑系統(tǒng)始終保持相連。在主泵停轉(zhuǎn)(停堆)時(shí)，高含硼水將靠自然循環(huán)從水池下部穿過下密度鎖，經(jīng)入口管段進(jìn)入堆芯，吸取堆芯熱量后經(jīng)升液管達(dá)到上密度鎖，然后返回水池(圖4中虛線)，形成自然循環(huán)流動(dòng)。

圖4 自然循環(huán)密度鎖系統(tǒng)原理示意圖

目前，國外許多最新設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆都將密度鎖回路安裝在反應(yīng)堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中。Stefan M在設(shè)計(jì)的防止堆芯熔化的降壓系統(tǒng)中采用了密度鎖裝置，以確保堆芯的安全[26]。Juhn P E等總結(jié)了IAEA對(duì)于非能動(dòng)安全系統(tǒng)的活動(dòng)，介紹了最新設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆中應(yīng)用的密度鎖裝置[27]。

國內(nèi)研究則主要集中在密度鎖啟動(dòng)條件和分區(qū)上。谷海峰等分別對(duì)密度鎖的正向啟動(dòng)和反向啟動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不論是何種啟動(dòng)方式，流量均是影響密度鎖啟動(dòng)過程的關(guān)鍵因素，并給出了成功實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的條件[28,29]。王升飛等分析了流速對(duì)密度鎖內(nèi)溫度場(chǎng)和分層的影響，并建立了分區(qū)模型，將密度鎖分為混合區(qū)、分層區(qū)和恒溫區(qū)[30]。

除上述系統(tǒng)外還有堆芯補(bǔ)水箱、乏燃料水池及反應(yīng)堆二回路等設(shè)備與系統(tǒng)也應(yīng)用了自然循環(huán)原理，這里不再贅述。

1.2自然循環(huán)鍋爐

自然循環(huán)鍋爐(圖5)中的流動(dòng)介質(zhì)依靠管道中水與水蒸氣的密度差在管道中循環(huán)，而無需其他動(dòng)力。給水由省煤器進(jìn)入汽包與爐水混合后，通過下降管和下聯(lián)箱進(jìn)入水冷壁，在水冷壁中吸收爐膛火焰和煙氣的熱量以達(dá)到飽和溫度并產(chǎn)生部分蒸汽，而下降管為飽和或欠熱水。下聯(lián)箱左右兩側(cè)將產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)上升管中的汽水混合物向上流動(dòng)，進(jìn)入汽包，并在汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離，分離出來的蒸汽送往過熱器，分離出來的水繼續(xù)參加循環(huán)，從而形成自然循環(huán)。自然循環(huán)鍋爐具有給水泵電耗小的優(yōu)點(diǎn)，與強(qiáng)制循環(huán)鍋爐相比是不需要在高溫條件下工作的循環(huán)泵，可靠性更高。

圖5 自然循環(huán)鍋爐回路示意圖

目前，對(duì)自然循環(huán)鍋爐的研究主要集中于對(duì)鍋爐水動(dòng)力分析和汽包水位的研究方面。易凱對(duì)水動(dòng)力不確定因素進(jìn)行了分析，研究了鍋爐循環(huán)倍率與其他不確定因素(如受熱管受熱強(qiáng)度、上升管長度和回路復(fù)雜程度)之間的關(guān)系[31]。劉迎光依據(jù)前蘇聯(lián)水動(dòng)力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方法建立了蒸發(fā)器單相流體和兩相流體的數(shù)學(xué)模型，繪制了立式自然循環(huán)余熱鍋爐各管屏和整體蒸發(fā)器的水動(dòng)力特性曲線，計(jì)算出穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)及其各種參數(shù)[32]。李曉燕論述了機(jī)組在大幅變工況和啟停過程中水位的變化起因及其相應(yīng)的處理方法[33]。郭倍州針對(duì)DG- 2070/17.5- π6型亞臨界自然循環(huán)鍋爐汽包水位的偏差現(xiàn)象進(jìn)行了闡述，分析了汽包水位偏差的原因并給出其調(diào)整方法[34]。Almir S等建立了單汽包自然循環(huán)蒸汽鍋爐蒸發(fā)器回路的非線性數(shù)值模型，該模型基于基本的物理定律，不依賴于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，可用于分析不同外部干擾時(shí)的鍋爐動(dòng)態(tài)行為[35]。

此外，自然循環(huán)鍋爐的研究還涉及到設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行優(yōu)化等內(nèi)容[36～38]。

1.3自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)

自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)(圖6)是一種不使用或部分使用循環(huán)泵的太陽能集熱系統(tǒng)，其基本原理就是利用低處的集熱板吸收太陽光的熱量加熱流經(jīng)集熱板的冷水，促使集熱板內(nèi)水溫升高，溫度高于較高處補(bǔ)水箱內(nèi)的水溫，此時(shí)因水的密度差形成自然循環(huán)流動(dòng)。自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)具有節(jié)省能源及降低噪音等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)示意圖

浙江大學(xué)對(duì)自然循環(huán)槽式太陽能集熱系統(tǒng)做了大量相關(guān)研究。Zhang L等對(duì)自然循環(huán)熱管系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了U形自然循環(huán)熱管系統(tǒng)并進(jìn)行了傳熱效率分析[39]。Hua M等對(duì)熱虹吸回路中的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別討論了熱負(fù)荷對(duì)流型、熱效率和兩相傳熱系數(shù)的影響[40]。陳歡等對(duì)50kW的自然循環(huán)槽式太陽能高溫集熱系統(tǒng)在不同太陽輻照和排汽壓力工況下的傳熱特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[41]。倪煜以納米流體為換熱工質(zhì)，與水的換熱效果相比，發(fā)現(xiàn)可以強(qiáng)化換熱7%[42]。

鄭土逢等對(duì)自然循環(huán)平板式太陽能熱水器的放置高度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于水箱容積為120L的太陽能熱水器，其放置高度應(yīng)為最大熱效率時(shí)的高度[43]。王帥對(duì)自然循環(huán)式光伏光熱一體化太陽能平板集熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用Fluent軟件對(duì)集熱器在自然循環(huán)狀態(tài)下的溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬[44]。Ahmed R等設(shè)計(jì)了一種新的太陽能對(duì)流蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)裝置，使得空氣在矩形自然循環(huán)回路內(nèi)流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器內(nèi)的空氣對(duì)流增強(qiáng)了換熱效果并得到了對(duì)流傳熱系數(shù)[45]。

1.4其他應(yīng)用

自然循環(huán)原理在其他領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，如自然循環(huán)制冷系統(tǒng)及熱水采暖系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2 研究熱點(diǎn)

2.1自然循環(huán)技術(shù)存在的問題

由于具有安全及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，自然循環(huán)技術(shù)在能源動(dòng)力行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。然而自然循環(huán)系統(tǒng)本身也存在一些缺點(diǎn)，比如驅(qū)動(dòng)壓頭較小、系統(tǒng)體積龐大、流動(dòng)穩(wěn)定性較差、可能出現(xiàn)熱分層及物理失效等問題，這些問題限制著自然循環(huán)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。為了克服存在的問題，擴(kuò)大自然循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，需要深入研究自然循環(huán)流動(dòng)的機(jī)理。

2.2自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性機(jī)理研究

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)流動(dòng)在一定條件下發(fā)生發(fā)散，或過渡到另一穩(wěn)定的運(yùn)行工況，或發(fā)生持續(xù)等幅脈動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)便發(fā)生了流動(dòng)不穩(wěn)定性。與強(qiáng)迫循環(huán)相比，自然循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力不是恒定的，它與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，即自然循環(huán)系統(tǒng)存在傳熱-流動(dòng)的耦合現(xiàn)象，因此自然循環(huán)系統(tǒng)更容易發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，流動(dòng)不穩(wěn)定性也成為目前自然循環(huán)原理研究的焦點(diǎn)之一。張文超等發(fā)現(xiàn)搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)中存在混沌脈動(dòng)，分析了系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性的非線性演化機(jī)理，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜流量脈動(dòng)的混沌預(yù)測(cè)[46～49]。Vikas J等通過實(shí)驗(yàn)對(duì)低壓下四通道自然循環(huán)回路的流動(dòng)不穩(wěn)定性行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在低功率下會(huì)發(fā)生第一類流動(dòng)不穩(wěn)定性，在高功率下會(huì)發(fā)生第二類流動(dòng)不穩(wěn)定性，在功率介于兩者之間時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定區(qū)域[50]。Zhou T等研究了自然循環(huán)狀態(tài)下窄矩形通道中的流量偏移機(jī)理，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在發(fā)生流量偏移之前流量總會(huì)出現(xiàn)周期性脈動(dòng)，經(jīng)分析得出流量偏移的發(fā)生與氣泡和流型的變化有關(guān)[51]。Yu J Y等通過實(shí)驗(yàn)研究和建立數(shù)值模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在超臨界壓力下自然循環(huán)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生Ledinegg流動(dòng)不穩(wěn)定性[52]。Prasad G V D和Pandey M分別在自然循環(huán)沸水堆和具有核耦合的雙通道自然循環(huán)回路中發(fā)現(xiàn)，在某些特定運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)流量會(huì)出現(xiàn)周期性波動(dòng)和混沌脈動(dòng)[53]。Paul S和Singh S通過對(duì)時(shí)間序列分析發(fā)現(xiàn)，在高壓自然循環(huán)管道中兩相流動(dòng)存在超臨界和次臨界Hope分岔[54]。

國內(nèi)外學(xué)者就不同自然循環(huán)系統(tǒng)中的流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。Swapnalee B T等以超臨界水堆為背景，分別用超臨界水和超臨界CO2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析自然循環(huán)系統(tǒng)中的靜態(tài)不穩(wěn)定，得到了不穩(wěn)定的邊界圖并基于無量綱密度和無量綱熵得出了穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的驗(yàn)證關(guān)聯(lián)式[55]。Lisowski D D等對(duì)頂部含有水箱的多通道自然循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了蒸發(fā)、汽化對(duì)兩相自然循環(huán)回路的影響，討論了水箱水位與單相流動(dòng)、過渡泡核沸騰、靜壓力波動(dòng)、穩(wěn)定兩相流動(dòng)及噴涌等流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系[56]。Tan S C等對(duì)搖擺條件下兩相自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)搖擺條件下的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分類，包括波谷型脈動(dòng)、規(guī)則復(fù)合型脈動(dòng)、不規(guī)則復(fù)合型脈動(dòng)及高含氣率小振幅脈動(dòng)等[57]。

2.3自然循環(huán)集熱特性研究

理解和掌握自然循環(huán)集熱系統(tǒng)的流動(dòng)沸騰傳熱特性，對(duì)于深刻理解自然循環(huán)機(jī)理具有重要意義，因此當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要集中于系統(tǒng)內(nèi)部的沸騰和冷凝傳熱機(jī)理研究。周媛和王玉林以CARR堆芯熱組件為對(duì)象，用CFD軟件模擬了以強(qiáng)迫循環(huán)計(jì)算結(jié)果為初始場(chǎng)的自然循環(huán)傳熱特性，得到了溫度場(chǎng)分布并找到了熱點(diǎn)位置[58]。Chung Y J等對(duì)冷卻水池內(nèi)自然循環(huán)管束的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)池內(nèi)水溫和管束徑向分布對(duì)換熱系數(shù)有較大影響，管束之間的湍流作用使得換熱系數(shù)明顯大于單管[59]。Wang J Y等建立了自然循環(huán)回路的3D模型，發(fā)現(xiàn)回路在彎管處出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，水平管內(nèi)出現(xiàn)了熱分層，系統(tǒng)導(dǎo)熱能力與流速存在很大關(guān)系[60]。Yu S等對(duì)U形自然循環(huán)回路中的液態(tài)氦氣的傳熱特點(diǎn)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著熱流量增加系統(tǒng)依次出現(xiàn)單相對(duì)流、部分泡核沸騰、完全泡核沸騰和膜態(tài)沸騰，并得到了泡核沸騰的傳熱系數(shù)[61]。Wang C等對(duì)搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行了分析，與靜止?fàn)顟B(tài)相比，搖擺條件下的系統(tǒng)流量出現(xiàn)波動(dòng)，平均流量降低，但平均傳熱系數(shù)增加，Nu數(shù)隨著Re數(shù)的增加而呈線性增加的趨勢(shì)[62]。Cao Y H和Zhang X R通過建立2D模型對(duì)自然循環(huán)回路內(nèi)的超臨界CO2傳熱特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)散熱器溫度對(duì)對(duì)流和傳熱存在較大影響，回路傾斜會(huì)降低傳熱性能，隨著溫度差的增大，對(duì)流和傳熱性能先增加后減小[63]。

3 研究趨勢(shì)

自然循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)在一定工況下會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的流動(dòng)行為，如混沌脈動(dòng)及分岔現(xiàn)象等，目前復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理分析尚不明確，是一個(gè)研究熱點(diǎn)。系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)、汽泡行為、傳熱、核反饋、外力作用及部分重力等因素對(duì)系統(tǒng)的影響，以及各因素之間的耦合機(jī)理；系統(tǒng)流動(dòng)特性的演化機(jī)理，特別是非線性演化機(jī)理，都是研究熱點(diǎn)。為了減小自然循環(huán)系統(tǒng)的體積，系統(tǒng)內(nèi)的強(qiáng)化換熱問題對(duì)于自然循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用也有較大的研究?jī)r(jià)值。

在研究對(duì)象上，在擴(kuò)大自然循環(huán)技術(shù)應(yīng)用范圍的過程中，許多裝置中的自然循環(huán)具體行為也不斷得到拓展，如窄矩形通道、微型通道及U形管道等裝置中的自然循環(huán)流動(dòng)-傳熱特性。

在研究方法上，最為常見的自然循環(huán)研究方式為實(shí)驗(yàn)研究和建立數(shù)值模型。首先，在自然循環(huán)的實(shí)驗(yàn)研究方面主要存在的問題是實(shí)驗(yàn)回路與實(shí)際工業(yè)裝備差別較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可擴(kuò)展性不強(qiáng)，未來實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的參數(shù)范圍，如系統(tǒng)壓力及加熱功率等運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整回路尺寸以符合實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)需要開發(fā)新的參數(shù)數(shù)據(jù)采集方法，以提高采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和精確度，如利用激光探測(cè)回路特定區(qū)域溫度場(chǎng)等技術(shù)。其次，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算能力越來越強(qiáng)，用數(shù)值方法分析系統(tǒng)行為越來越普遍，由于自然循環(huán)是系統(tǒng)行為，因此要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)-傳熱狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值分析研究，通常的方法是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)建立整體模型以模擬系統(tǒng)行為。數(shù)值分析方面比較好的研究方案是以現(xiàn)有的大型軟件為平臺(tái)，進(jìn)行二次開發(fā)。除傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析方法外，隨著一些新的理論和技術(shù)的出現(xiàn)，發(fā)展出了一些新的方法，如利用非線性動(dòng)力學(xué)和混沌理論分析復(fù)雜兩相流動(dòng)現(xiàn)象，利用高速攝影儀和圖像處理技術(shù)分析系統(tǒng)中的氣泡行為，以及利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立自然循環(huán)模型等。

4 結(jié)論

4.1對(duì)自然循環(huán)技術(shù)在能源動(dòng)力行業(yè)中的主要應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)梳理，包括核反應(yīng)堆中的一回路系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、非能動(dòng)安全殼系統(tǒng)、密度鎖系統(tǒng)、自然循環(huán)鍋爐和自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)，介紹了其基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，并對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)。

4.2指出自然循環(huán)系統(tǒng)存在的問題，并對(duì)自然循環(huán)機(jī)理研究熱點(diǎn)的現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)，包括自然循環(huán)系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性和傳熱特性。

4.3基于自然循環(huán)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，分別從研究?jī)?nèi)容、研究對(duì)象和研究方法上對(duì)自然循環(huán)下一步的研究趨勢(shì)提出了個(gè)人看法。

[1] 洪文鵬,滕飛宇,劉燕.管束間氣液兩相流動(dòng)特性的研究進(jìn)展[J].化工機(jī)械,2012,39(2):124～130.

[2] 韓建荒,劉揚(yáng),李君書,等.翅片管式換熱器傳熱與流場(chǎng)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械,2013,40(3): 347～350.

[3] 洪文鵬,辛凱.小尺度管殼式換熱器流動(dòng)和傳熱數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械,2013,40(4):471～475.

[4] 周云龍,張立彥.方形截面螺旋管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性數(shù)值研究[J].化工機(jī)械,2015,42(1):85～92.

[5] 閻昌琪,曹夏昕.核反應(yīng)堆安全傳熱[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2010:65～83.

[6] 周濤,李精精,汝小龍,等.核電機(jī)組非能動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(8):81～89.

[7] 葉江明.電廠鍋爐原理及設(shè)備[M].北京:中國電力出版社,2010:210～232.

[8] 張良.自然循環(huán)槽式太陽能中高溫集熱系統(tǒng)中流動(dòng)傳熱特性及強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

[9] 秦立新.新一代“水下幽靈”若隱若現(xiàn)[N].解放軍報(bào),2013- 05- 02.

[10] 田兆斐,趙強(qiáng),彭敏俊,等.自然循環(huán)與強(qiáng)迫循環(huán)轉(zhuǎn)換過渡過程研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31 (10):1398～1404.

[11] 郝承明,付文,彭敏俊,等.一體化反應(yīng)堆強(qiáng)迫循環(huán)轉(zhuǎn)自然循環(huán)過程瞬態(tài)特性分析[J].原子能科學(xué)技術(shù),2013,47(2):243～248.

[12] 宮厚軍,楊星團(tuán),黃彥平,等.傾斜條件下一體化反應(yīng)堆模擬回路單相自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究[J].核動(dòng)力工程,2014,35(5):89～93.

[13] 盧川,張勇,魯劍超,等.基于CFD方法的自然循環(huán)反應(yīng)堆冷卻劑流動(dòng)特性分析[J].核動(dòng)力工程,2012, 33(z1):111～114.

[14] 謝仁富,朱國華,郭智榮.核動(dòng)力裝置自然循環(huán)一回路冷卻劑流量測(cè)量技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2013,35(4):65～69.

[15] 陳薇,王盟,丁銅偉.C型換熱器管外流體兩相自然循環(huán)數(shù)值模擬[J].原子能科學(xué)技術(shù),2014,48(9):1595～1600.

[16] 宋陽,李衛(wèi)華,李勝強(qiáng).非能動(dòng)余熱排出熱交換器自然循環(huán)數(shù)值模擬[J].原子能科學(xué)技術(shù),2012,46 (z2):767～770.

[17] 范書淳,魯劍超,彭詩念,等.模塊化壓水堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)運(yùn)行特性分析研究[J].核動(dòng)力工程,2014,35(1):152～155.

[18] Sun L,Sun L C,Yan C Q,et al.Conceptual Design and Analysis of a Passive Residual Heat Removal System for a 10MW Molten Salt Reactor Experiment[J]. Progress in Nuclear Energy,2014,70(11):149～158.

[19] Min B Y,Park H S,Shin Y C,et al.Experimental Verification on the Integrity and Performance of the Passive Residual Heat Removal System for a SMART Design with VISTA- ITL[J].Annals of Nuclear Energy,2014,71(9):118～124.

[20] Nitin M,Jyeshtharaj B J,Arun K N,et al.Numerical Investigation of Three- dimensional Natural Circulation Phenomenon in Passive Safety Systems for Decay Heat Removal in Large Pools[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2015,81(2):659～680.

[21] Yu Y,Niu F L,Wang S F,et al.One- dimensional Model for Containment in AP1000 Nuclear Power Plant Based on Thermal Stratification[J].Applied Thermal Engineering,2014,70(9):25～32.

[22] Cheng X,Erbacher F J,Neitzel H J.Passive Containment Cooling by Natural Air Convection and Thermal Radiation after Severe Accidents[J]. Nuclear Engineering and Design,2000,202(12): 219～229.

[23] 黃政.核電廠非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)特性研究[J].核動(dòng)力工程,2014,35(6):31～36.

[24] 黃代順,蔣孝蔚,余紅星.非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)CFD冷凝和蒸發(fā)模型研究[J].核動(dòng)力工程,2013,34(z1):188～191.

[25] Zhao G Z,Cao X R,Shi X W.A Study Using RELAP5 on Capability and Instability of Two- phase Natural Circulation Flow under Passive External Reactor Vessel Cooling[J].Annals of Nuclear Energy,2013, 60(11):115～126.

[26] Stefan M.The Evaluation of RCS Depressurization to Prevent Core Melting in Pressure Tube Reactors (CANDU- type)[J].Annals of Nuclear Energy,2009,36 (5):537～545.

[27] Juhn P E,Kupitg J,Cleveland J,et al.IAEA Activities on Passive Safety Systems and Overview of International Development[J].Nuclear Engineering and Design,2000,201(9):49～54.

[28] 谷海峰,閻昌琪,陳薇.密度鎖正向啟動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(9):1127～1131.

[29] 陳薇,王少武,閻昌琪,等.密度鎖反向啟動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2011,32(11):1881～1884.

[30] 王升飛,閻昌琪,閆修平,等.密度鎖內(nèi)分區(qū)模型研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2014,48(z1):264～267.

[31] 易凱.自然循環(huán)熱水鍋爐水動(dòng)力不確定因素分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[32] 劉迎光.立式自然循環(huán)余熱鍋爐水動(dòng)力循環(huán)特性計(jì)算及數(shù)值模擬[D].北京:中國艦船研究院,2013.

[33] 李曉燕.亞臨界自然循環(huán)汽包爐水位的調(diào)節(jié)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2013,23(5):146.

[34] 郭倍州.600MW亞臨界自然循環(huán)鍋爐汽包水位偏差大調(diào)整[J].科技視界,2013,8(3):129～130.

[35] Almir S,Stjepko K,Danijel P.Dynamic Model of a Natural Water Circulation Boiler Suitable for On- line Monitoring of Fossil/Alternative Fuel Plants[J].Energy Conversion and Management,2014, 87(11):1248～1260.

[36] 柳清華.600MW等級(jí)亞臨界自然循環(huán)燃油鍋爐的設(shè)計(jì)[J].鍋爐制造,2013,(4):16～17.

[37] 彭斯亮,侯玉林.自然循環(huán)余熱鍋爐的安裝[J].能源與節(jié)能,2014,(2):143～144.

[38] 馬良,劉國峰.300MW機(jī)組自然循環(huán)鍋爐運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)[J].華電技術(shù),2014,36(1):11～17.

[39] Zhang L,Yu Z T,Fan L W,et al.An Experimental Investigation of the Heat Losses of a U- type Solar Heat Pipe Receiver of a Parabolic trough Collector- based Natural Circulation Steam Generation System[J].Renewable Energy,2013,57 (9):262～268.

[40] Hua M,Zhang L,Fan L W,et al.Experimental Investigation of Effect of Heat Load on Thermal Performance of Natural Circulation Steam Generation System as Applied to PTC- based Solar System[J].Energy Conversion and Management,2015, 91(2):101～109.

[41] 陳歡,王紅梅,俞自濤,等.自然循環(huán)槽式太陽能中高溫集熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012, 46(9):1666～1670.

[42] 倪煜.以納米流體為工質(zhì)的自然循環(huán)太陽能集熱系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2011.

[43] 鄭土逢,李明,魏生賢,等.自然循環(huán)平板式太陽能熱水器水箱放置高度的研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,31(1):40～43.

[44] 王帥.自然循環(huán)式光伏光熱一體化太陽能平板集熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[45] Ahmed R,Abdelouahab B,Amar H.An Experimental Approach to Improve the Basin Type Solar Still Using an Integrated Natural Circulation Loop[J].Energy Conversion and Management,2015, 93(3):298～308.

[46] 張文超,譚思超,高璞珍,等.搖擺條件下自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性的混沌特性研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2012,46(6):705～709.

[47] Zhang W C,Tan S C,Gao P Z,et al.Non- Linear Time Series Analysis on Flow Instability of Natural Circulation under Rolling Motion Condition[J]. Annals of Nuclear Energy,2014,65(3):1～9.

[48] 張文超,譚思超,高璞珍.基于Lyapunov指數(shù)的搖擺條件下自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性混沌預(yù)測(cè)[J].物理學(xué)報(bào),2013,62(6):060502- 1～8.

[49] 張文超,譚思超,高璞珍.搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)流量混沌脈動(dòng)的檢驗(yàn)與預(yù)測(cè)[J].物理學(xué)報(bào),2013,62(14):144706- 1～8.

[50] Vikas J,Nayak A K,Vijayan P K,et al.Experimental Investigation on the Flow Instability Behavior of a Multi- channel Boiling Natural Circulation Loop at Low- pressures[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2010,34(9):776～787.

[51] Zhou T,Hong D X,Ran K,et al.Research on Mechanism of Flow Excursion in Narrow Rectangle Channel under Natural Circulation[J].Nuclear Engineering and Design,2013,254(11):1～4.

[52] Yu J Y,Che S W,Li R,et al.Analysis of Ledinegg Flow Instability in Natural Circulation at Supercritical Pressure[J].Progress in Nuclear Energy,2011,53(8):775～779.

[53] Prasad G V D,Pandey M.Parametric Effects on Reactivity Instabilities and Nonlinear Oscillations in a Nuclear- coupled Double Channel Natural Circulation Boiling System[J].Nuclear Engineering and Design,2010,240(5):1097～1110.

[54] Paul S,Singh S.Analysis of Sub- and Supercritical Hopf Bifurcation with a Reduced Order Model in Natural Circulation Loop[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2014,77 (11):344～358.

[55] Swapnalee B T,Vijayan P K,Sharma M,et al.Steady State Flow and Static Instability of Supercritical Natural Circulation Loops[J]. Nuclear Engineering and Design,2012,245(4):99～112.

[56] Lisowski D D,Omotowa O,Muci M A,et al.Influences of Boil- off on the Behavior of a Two- phase Natural Circulation Loop[J].International Journal of Multiphase Flow,2014,60(4):135～148.

[57] Tan S C,Su G H,Gao P Z.Experimental Study on Two- phase Flow Instability of Natural Circulation under Rolling Motion Condition[J].Annals of Nuclear Energy,2009,36(11):103～113.

[58] 周媛,王玉林.CARR堆芯熱組件自然循環(huán)條件下特性分析[J].原子能科學(xué)技術(shù),2015,49(3):433～439.

[59] Chung Y J,Park H S,Lee W J,et al.Heat Transfer in a Cooling Water Pool with Tube Bundles under Natural Circulation[J].Annals of Nuclear Energy,2015,77(3):402～407.

[60] Wang J Y,Chuang T J,Ferng Y M.CFD Investigating Flow and Heat Transfer Characteristics in a Natural Circulation Loop[J].Annals of Nuclear Energy,2013,58(8):65～71.

[61] Yu S,Aurélien F,Bertrand B.Nucleate Boiling Heat Transfer in a Helium Natural Circulation Loop Coupled with a Cryocooler[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2013,66 (11):64～71.

[62] Wang C,Li X H,Wang H,et al.Experimental Study on Single- phase Heat Transfer of Natural Circulation in Circular Pipe under Rolling Motion Condition[J].Nuclear Engineering and Design,2014, 273(6):497～504.

[63] Cao Y H,Zhang X R.Flow and Heat Transfer Characteristics of Supercritical CO2in a Natural Circulation Loop[J].International Journal of Thermal Sciences,2012,58(8):52～60.