本发明公开了自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置及控制方法，涉及核反应实验技术领域，其技术方案要点是：包括顺次连接且形成自然循环回路的沸腾临界实验本体、换热器、流量调节阀、加热器；自然循环回路通过波动幅值调节阀外接有稳压器，稳压器配置有排气开关阀、充气开关阀、排水开关阀、充水开关阀。可以进行自然循环系统流动不稳定出现后沸腾临界的科学研究，通过合理的调节手段可以获得沸腾临界实验本体入口温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期、波动幅值等不同参数的临界热流密度值，实现自然循环系统流动不稳定过程中沸腾临界的系统性研究。
1.自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置，其特征是，包括顺次连接且形成自然循环回路的沸腾临界实验本体(101)、换热器(102)、流量调节阀(103)、加热器(105)；自然循环回路通过波动幅值调节阀(107)外接有稳压器(108)，稳压器(108)配置有排气开关阀(109)、充气开关阀(110)、排水开关阀(111)、充水开关阀(112)；
所述流量调节阀(103)与加热器(105)之间的管路设有单向流量计(104)，波动幅值调节阀(107)远离稳压器(108)的管路设有双向流量计(106)；
所述沸腾临界实验本体(101)入口的自然循环流量的波动幅值调控过程具体为：
保持沸腾临界实验本体(101)入口的温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期不变；
通过增加波动幅值调节阀(107)的开度使得通过波动管的双向周期流量幅值增加，从而增加自然循环流量的波动幅值；
或，通过减小波动幅值调节阀(107)的开度使得通过波动管的双向周期流量幅值降低，从而降低自然循环流量的波动幅值；
所述沸腾临界实验本体(101)入口的自然循环流量的波动周期调控过程具体为：
保持沸腾临界实验本体(101)入口的温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动幅值不变；
同时开启排水开关阀(111)、充气开关阀(110)，通过增加稳压器(108)的气空间以延长稳压器(108)内压力上升或下降的时间，实现延长自然循环回路和稳压器(108)的波动周期，进而增加自然循环流量的波动周期；当自然循环流量的波动周期达到第一预设值后，同时关闭排水开关阀(111)和充气开关阀(110)；
同时开启排气开关阀(109)、充水开关阀(112)，通过减小稳压器(108)的气空间以缩短稳压器(108)内压力上升或下降的时间，实现减小自然循环回路和稳压器(108)的波动周期，进而降低自然循环流量的波动周期；当自然循环流量的波动周期达到第二预设值后，同时关闭排气开关阀(109)和充水开关阀(112)。
2.根据权利要求1所述的自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置，其特征是，所述加热器(105)和流量调节阀(103)均设置在换热器(102)的输出端与沸腾临界实验本体(101)的输入端之间的管路；波动幅值调节阀(107)的一端连接在换热器(102)、流量调节阀(103)之间的管路。
3.自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验控制方法，其特征是，该方法应用于如权利要求1‑2任意一项所述的自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置，包括以下步骤：S1：自然循环回路建立后增加沸腾临界实验本体(101)的加热功率，沸腾临界实验本体(101)的出口升温产生的蒸汽在压力差作用下于自然循环回路、稳压器(108)之间来回流动，形成自然循环系统流动不稳定过程；
S2：调控自然循环系统流动不稳定过程中沸腾临界实验本体(101)入口的不同热工参数，模拟不同热工参数对自然循环系统流动不稳定过程中的临界热流密度影响过程；热工参数包括温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期和波动幅值。
4.根据权利要求3所述的自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验控制方法，其特征是，在步骤S1中，所述自然循环系统流动不稳定过程的形成过程具体为：S101：自然循环回路建立后，逐渐增加沸腾临界实验本体(101)的加热功率，沸腾临界实验本体(101)出口流体的温度逐渐上升；当出口温度达到饱和时，沸腾临界实验本体(101)出口产生蒸汽；
S102：蒸汽产生后，自然循环回路的压力上升，部分流体流入稳压器(108)，自然循环回路的压力下降；
S103：流体进入稳压器(108)后，稳压器(108)的气空间被压缩，稳压器(108)压力也开始上升；当稳压器(108)的压力大于自然循环回路的压力，流体开始从稳压器(108)流回自然循环回路；
S104：稳压器(108)和自然循环回路的流体来回波动，自然循环回路的流量周期波动，形成稳定的自然循环系统流动不稳定过程。
5.根据权利要求3所述的自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验控制方法，其特征是，所述沸腾临界实验本体(101)入口的温度调控过程具体为：保持沸腾临界实验本体(101)入口的压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期、波动幅值不变；
调节加热器(105)的功率以控制进入沸腾临界实验本体(101)的入口流体温度。
6.根据权利要求3所述的自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验控制方法，其特征是，所述沸腾临界实验本体(101)入口的压力调控过程具体为：保持沸腾临界实验本体(101)入口的温度、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期、波动幅值不变；
调节排气开关阀(109)或充气开关阀(110)的启闭以控制进入沸腾临界实验本体(101)的入口流体压力。
7.根据权利要求3所述的自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验控制方法，其特征是，所述沸腾临界实验本体(101)入口的自然循环平均流量调控过程具体为：保持沸腾临界实验本体(101)入口的温度、压力以及自然循环流量的波动周期、波动幅值不变；
通过增大流量调节阀(103)的开度以增加自然循环系统波动流量的平均流量；
或，通过减小流量调节阀(103)的开度以降低自然循环系统波动流量的平均流量。
自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及核反应实验技术领域，更具体地说，它涉及自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置及控制方法。
背景技术
[0002] 强迫循环条件下，泵的强驱动力可以维持流量、温度和压力等参数非常稳定，可以比较容易地获得确定流量、温度和压力条件下的临界热流密度值。通过一定的技术手段，比
如采用变频电机，通过有规律的改变电机的频率可以改变强迫循环流量，进行强迫循环流
动不稳定性出现条件下的流动传热、沸腾临界行为研究。
[0003] 相比强迫循环流动，自然循环流动的驱动力相对较小，流量容易受系统特性的影响发生流动不稳定性，出现流量、压力和温度的波动现象。自然循环系统流动不稳定性的出
现受诸多因素的影响，形成稳定的、有规律波动趋势的自然循环流量异常，因此自然循环系
统流动不稳定性条件下的热工特性规律研究一直是反应堆界内多年未攻克的技术难题。
[0004] 因此，如何研究设计一种自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置及控制方法是我们目前急需解决的问题。
发明内容
[0005] 为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置及控制方法，本发明可以产生有规律的波动自然循环系统流量，且能控制波
动周期和波动幅值，实现了自然循环系统流动不稳定过程中沸腾临界行为特性研究。
[0006] 本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007] 第一方面，提供了自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置，包括顺次连接且形成自然循环回路的沸腾临界实验本体、换热器、流量调节阀、加热器；自然循环回路通
过波动幅值调节阀外接有稳压器，稳压器配置有排气开关阀、充气开关阀、排水开关阀、充
水开关阀。
[0008] 进一步的，所述加热器和流量调节阀均设置在换热器的输出端与沸腾临界实验本体的输入端之间的管路；波动幅值调节阀的一端连接在换热器、流量调节阀之间的管路。
[0009] 进一步的，所述流量调节阀与加热器之间的管路设有单向流量计，波动幅值调节阀远离稳压器的管路设有双向流量计。
[0010] 第二方面，提供了自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验控制方法，该方法应用于如第一方面中任意一项所述的自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置，包括以
下步骤：
[0011] S1：自然循环回路建立后增加沸腾临界实验本体的加热功率，沸腾临界实验本体的出口升温产生的蒸汽在压力差作用下于自然循环回路、稳压器之间来回流动，形成自然
循环系统流动不稳定过程；
[0012] S2：调控自然循环系统流动不稳定过程中沸腾临界实验本体入口的不同热工参数，模拟不同热工参数对自然循环系统流动不稳定过程中的临界热流密度影响过程；热工
参数包括温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期和波动幅值。
[0013] 进一步的，在步骤S1中，所述自然循环系统流动不稳定过程的形成过程具体为：
[0014] S101：自然循环回路建立后，逐渐增加沸腾临界实验本体的加热功率，沸腾临界实验本体出口流体的温度逐渐上升；当出口温度达到饱和时，沸腾临界实验本体出口产生蒸
汽；
[0015] S102：蒸汽产生后，自然循环回路的压力上升，部分流体流入稳压器，自然循环回路的压力下降；
[0016] S103：流体进入稳压器后，稳压器的气空间被压缩，稳压器压力也开始上升；当稳压器的压力大于自然循环回路的压力，流体开始从稳压器流回自然循环回路；
[0017] S104：稳压器和自然循环回路的流体来回波动，自然循环回路的流量周期波动，形成稳定的自然循环系统流动不稳定过程。
[0018] 进一步的，所述沸腾临界实验本体入口的温度调控过程具体为：
[0019] 保持沸腾临界实验本体入口的压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期、波动幅值不变；
[0020] 调节加热器的功率以控制进入沸腾临界实验本体的入口流体温度。
[0021] 进一步的，所述沸腾临界实验本体入口的压力调控过程具体为：
[0022] 保持沸腾临界实验本体入口的温度、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期、波动幅值不变；
[0023] 调节排气开关阀或充气开关阀的启闭以控制进入沸腾临界实验本体的入口流体压力。
[0024] 进一步的，所述沸腾临界实验本体入口的自然循环平均流量调控过程具体为：
[0025] 保持沸腾临界实验本体入口的温度、压力以及自然循环流量的波动周期、波动幅值不变；
[0026] 通过增大流量调节阀的开度以增加自然循环系统波动流量的平均流量；
[0027] 或，通过减小流量调节阀的开度以降低自然循环系统波动流量的平均流量。
[0028] 进一步的，所述沸腾临界实验本体入口的自然循环流量的波动幅值调控过程具体为：
[0029] 保持沸腾临界实验本体入口的温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期不变；
[0030] 通过增加波动幅值调节阀的开度使得通过波动管的双向周期流量幅值增加，从而增加自然循环流量的波动幅值；
[0031] 或，通过减小波动幅值调节阀的开度使得通过波动管的双向周期流量幅值降低，从而降低自然循环流量的波动幅值。
[0032] 进一步的，所述沸腾临界实验本体入口的自然循环流量的波动周期调控过程具体为：
[0033] 保持沸腾临界实验本体入口的温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动幅值不变；
[0034] 同时开启排水开关阀、充气开关阀，通过增加稳压器的气空间以延长稳压器内压力上升或下降的时间，实现延长自然循环回路和稳压器的波动周期，进而增加自然循环流
量的波动周期；当自然循环流量的波动周期达到第一预设值后，同时关闭排水开关阀和充
气开关阀；
[0035] 同时开启排气开关阀、充水开关阀，通过减小稳压器的气空间以缩短稳压器内压力上升或下降的时间，实现减小自然循环回路和稳压器的波动周期，进而降低自然循环流
量的波动周期；当自然循环流量的波动周期达到第二预设值后，同时关闭排气开关阀和充
水开关阀。
[0036] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了的一种研究自然循环系统流动不稳定出现过程中沸腾临界行为特性的实验装置和方法，可以进行自然循环系统
流动不稳定出现后沸腾临界的科学研究，通过合理的调节手段可以获得沸腾临界实验本体
入口温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期、波动幅值等不同参数的
临界热流密度值，实现自然循环系统流动不稳定过程中沸腾临界的系统性研究。
附图说明
[0037] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0038] 图1是本发明实施例中的整体结构示意图。
[0039] 附图中标记及对应的零部件名称：
[0040] 101、沸腾临界实验本体；102、换热器；103、流量调节阀；104、单向流量计；105、加热器；106、双向流量计；107、波动幅值调节阀；108、稳压器；109、排气开关阀；110、充气开关阀；111、排水开关阀；112、充水开关阀。
具体实施方式
[0041] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。
[0042] 需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
[0043] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0044] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0045] 实施例1：自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置，如图1所示，包括顺次连接且形成自然循环回路的沸腾临界实验本体101、换热器102、流量调节阀103、加热器105。
自然循环回路通过波动幅值调节阀107外接有稳压器108，稳压器108配置有排气开关阀
109、充气开关阀110、排水开关阀111、充水开关阀112。其中，换热器102位于沸腾临界实验本体101的上方，排气开关阀109、充气开关阀110位于稳压器108的上端部，排水开关阀111、充水开关阀112位于稳压器108的下端部。
[0046] 在本实施例中，加热器105和流量调节阀103均设置在换热器102的输出端与沸腾临界实验本体101的输入端之间的管路；波动幅值调节阀107的一端连接在换热器102、流量
调节阀103之间的管路。
[0047] 在本实施例中，流量调节阀103与加热器105之间的管路设有单向流量计104，波动幅值调节阀107远离稳压器108的管路设有双向流量计106。
[0048] 实施例2：自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验控制方法，该方法应用于实施例1记载的自然循环系统不稳定流动的沸腾临界实验装置。流动不稳定出现过程中的沸腾
临界研究控制方法分成三个步骤：控制参数使得自然循环系统出现流动不稳定；调节和控
制流动不稳定出现后的自然循环流量波动幅值；分析给定自然循环流量波形下的临界热流
密度。
[0049] 一、控制参数使得自然循环系统出现流动不稳定
[0050] 自然循环系统依靠冷热段流体的密度差提供流动驱动力，沸腾临界实验本体101作为热源布置在中部，换热器102作为冷源布置在顶部。沸腾临界实验本体101加热流体，流
体在浮升力的作用下向上流动进入换热器102。在换热器102内冷却的流体密度增加，在重
力的作用下，冷流体向下流动经流量调节阀103、加热器105和流量计进入沸腾临界实验本
体101。形成稳定的自然循环流动。通过增加流量调节阀103的开度，减小自然循环系统的阻
力，可以提高自然循环系统的流量。通过降低流量调节阀103的开度，增加自然循环系统的
阻力，可以降低自然循环系统的流量。自然循环系统的流量通过单向流量计104进行测量。
调节加热器105的功率，控制进入沸腾临界实验本体101的入口流体温度。
[0051] 稳定自然循环系统建立后，开始逐渐增加沸腾临界实验本体101的加热功率，沸腾临界实验本体101出口流体的温度逐渐上升。当出口温度达到饱和时，沸腾临界实验本体
101出口产生蒸汽。蒸汽产生后，自然循环回路的压力上升，部分流体流入稳压器108，自然
循环回路的压力下降。流体进入稳压器108后，稳压器108的气空间被压缩，稳压器108压力
也开始上升。当稳压器108的压力大于自然循环回路的压力，流体开始从稳压器108流回自
然循环回路。稳压器108和自然循环回路的流体来回波动，自然循环回路的流量周期波动，
形成稳定的自然循环系统流动不稳定。
[0052] 二、调节和控制流动不稳定出现后的自然循环流量波动幅值
[0053] 调节和控制流动不稳定出现后的自然循环流量波形包括调节自然循环波动流量的平均流量、调节自然循环波动流量的波动幅值、调节自然循环波动流量的波动周期。
[0054] 调节自然循环波动流量的平均流量的方法如下：增大流量调节阀103的开度，增加自然循环系统波动流量的平均流量。减小流量调节阀103的开度，可以降低自然循环系统波
动流量的平均流量。
[0055] 调节自然循环波动流量的波动幅值的方法如下：增加波动幅值调节阀107的开度，通过波动管的双向周期流量幅值增加，从而增加自然循环系统流量的波动幅值。减小波动
幅值调节阀107的开度，通过波动管的双向周期流量幅值降低，从而降低自然循环系统流量
的波动幅值。
[0056] 调节自然循环波动流量的波动周期的方法如下：打开排水开关阀111，稳压器108内的流体往外流，同时打开充气开关阀110往稳压器108内补充气体，维持自然循环系统的
压力不变。通过增加稳压器108的气空间，延长稳压器108内压力上升或者下降的时间可以
延长自然循环回路和稳压器108的波动周期，进而增加自然循环系统流量的波动周期。当自
然循环流量的波动周期达到要求值，同时关闭排水开关阀111和充气开关阀110。打开排气
开关阀109，稳压器108内的气体往外流，同时打开充水开关阀112往稳压器108内补充液体，
维持自然循环系统的压力不变。通过减小稳压器108的气空间，缩短稳压器108内压力上升
或者下降的时间可以减小自然循环回路和稳压器108的波动周期，进而降低自然循环系统
流量的波动周期。当自然循环流量的波动周期达到要求值，同时关闭排气开关阀109和充水
开关阀112。
[0057] 三、分析给定自然循环流量波形下的临界热流密度
[0058] 控制沸腾临界实验本体101入口温度、压力、自然循环平均流量以及自然循环流量的波动周期和波动幅值，实现不同热工参数下的自然循环系统流动不稳定工况下的沸腾临
界特性研究。基于实验结果分析不同热工参数对自然循环系统流动不稳定过程中的临界热
流密度的影响。
[0059] 通过保持沸腾临界实验本体101入口压力、自然循环平均流量、自然循环流量波动周期和波动幅值等参数一致，改变沸腾临界实验本体101入口流体温度，获得不同入口温度
条件下自然循环系统流动不稳定出现过程中的沸腾临界热流密度值，分析入口温度对自然
循环系统流动不稳定出现过程中沸腾临界的影响。
[0060] 通过保持沸腾临界实验本体101入口温度、自然循环平均流量、自然循环流量波动周期和波动幅值等参数一致，改变沸腾临界实验本体101入口流体压力，获得不同入口压力
条件下自然循环系统流动不稳定出现过程中的沸腾临界热流密度值，分析入口流体压力对
自然循环系统流动不稳定出现过程中沸腾临界的影响。
[0061] 通过保持沸腾临界实验本体101入口温度、压力、自然循环流量波动周期和波动幅值等参数一致，改变沸腾临界实验本体101的自然循环平均流量，获得不同自然循环平均流
量条件下的沸腾临界热流密度值，分析自然循环平均流量对沸腾临界的影响。
[0062] 通过保持沸腾临界实验本体101入口温度、压力、自然循环平均流量和波动幅值等参数一致，改变沸腾临界实验本体101自然循环流量的波动周期，获得不同波动周期自然循
环流量条件下的沸腾临界热流密度值，分析自然循环流量波动周期对沸腾临界的影响。
[0063] 通过保持沸腾临界实验本体101入口温度、压力、自然循环平均流量和波动周期等参数一致，改变沸腾临界实验本体101自然循环流量的波动幅值，获得不同波动幅值自然循
环流量条件下的沸腾临界热流密度值，分析自然循环流量波动幅值对沸腾临界的影响。
[0064] 最后综合分析沸腾临界实验本体101入口温度、压力、自然循环平均流量、自然循环流量波动周期和波动幅值等参数对自然循环系统流动不稳定过程中的临界热流密度的
影响分析结果，获得自然循环流动不稳定过程中的沸腾临界特性。
[0065] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
