基于滑移通量模型的毛细管内气溶胶输运与滞留数值研究

以核电厂事故期间安全壳内放射性气溶胶通过缝隙向环境释放为研究背景,针对内径为397μm、长度为12 cm的毛细管,采用滑移通量模型对毛细管内气溶胶输运与滞留进行数值模拟研究。首先基于鹿儿岛大学开展的毛细管流动实验对本文建立的毛细管CFD模型进行了验证,结果表明CFD模型可准确模拟毛细管内压力驱动的一维可压缩绝热流动。在此基础上开展不同滞止压力下的气溶胶输运与滞留计算,结果显示在本文所考虑的重力沉降、布朗扩散和湍流扩散3种气溶胶沉积机理中,湍流扩散占主导作用;气溶胶穿透系数随滞止压力提高而下降,当滞止压力超过550 kPa后,穿透系数小于0.02。本研究为缝隙内气溶胶输运与滞留分析提供了新的技术方法,后续将在模型中增加其他沉积机理,并开展实验进行验证。     

鼓泡过滤可溶性气溶胶特性实验研究

池式鼓泡过滤是核电厂严重事故条件下一种重要的放射性气溶胶滞留过程。本文针对可溶性气溶胶在鼓泡过滤条件下的去除特性开展实验研究。结果表明,可溶性气溶胶会在鼓泡过滤过程中吸湿增长,尺寸增大,因此在评价可溶性气溶胶的去除效率时,必须保证上下游气溶胶处于干燥状态;另外,可溶性气溶胶的吸湿增长使得气溶胶的沉降特性发生改变,主要表现为原处于布朗扩散主导区的小粒径气溶胶会进入最易穿透区,效率降低,而原处于最易穿透区的气溶胶会进入惯性主导区,效率增加;气体流量的变化对气溶胶去除效率的影响不是单调的,与气-液两相流型以及气泡行为密切相关。实验结果可为验证和完善池式过滤气溶胶模型提供数据支撑。     

微流体惯性撞击器气溶胶过滤行为研究

微流体惯性撞击器可作为安全壳过滤排放系统的第一级过滤装置，实现严重事故后安全壳快速泄压并对壳内放射性气溶胶进行初效过滤。为了探究惯性撞击器内气溶胶的过滤行为，开展可视化实验对气溶胶在惯性撞击器内的沉积分布进行研究。研究表明，可视化实验能反映撞击器内气流流向及气溶胶运动轨迹。气溶胶在过滤单元处的沉积位置主要集中在过滤单元的上表面及微流道的内壁面，过滤效率可达60%以上。同时，由于撞击器通道表面特性随气溶胶的沉积而改变，容尘条件下的气溶胶过滤效率逐渐增加。而当惯性撞击器内载气流速大于临界值时，过滤效率会因气溶胶的再悬浮而降低。     

钢制安全壳窄缝内气溶胶冷凝滞留实验研究

目前核电厂安全壳放射性评估中未考虑狭窄裂缝（简称窄缝）对气溶胶的滞留效果,但与常规尺寸相比,窄缝的高表面/体积比对气溶胶泄漏具有可观的滞留,评估结果过于保守。通过开展矩形直通道内气溶胶泄漏实验,获得缝高约100 μm钢制安全壳窄缝内气溶胶滞留效率,观察到窄缝通道入口区域为主要的粒子沉积区域。同时,通过在窄缝流动方向上建立并维持一定的温度梯度,模拟安全壳非能动冷却系统投运时安全壳窄缝内气溶胶泄漏过程。结果表明,窄缝对亚微米粒径气溶胶具有良好的滞留效果,温度梯度引入的蒸汽冷凝能显著提高气溶胶滞留效率至91%左右,且缩小了泄漏面积。      

定位格架下游湍流特性测量研究

在子通道雷诺数为6 600、13 200、26 400和39 600下,使用粒子成像测速仪对5×5棒束分流型交混翼定位格架下游横向和纵向流动进行测量。平均速度和湍流脉动速度均方根的实验结果最大不确定度低于1%的主流平均速度。格架下游二次流结构经历了交混翼脱落涡结构耗散、剪切产生双涡结构、双涡结构向单涡结构的转变及单涡结构沿程衰减过程,横向平均速度和湍流脉动速度均方根沿程变化均受涡结构演进影响。格架近场湍流统计量迅速衰减;格架远场湍流统计量缓慢衰减,流动趋于光棒束充分发展流动。横向流动受雷诺数效应和格架交混效应共同影响。     

低雷诺数下气溶胶粒子在裂缝中的损失研究

核电厂在运行中为了保证反应堆运行安全,需要对由泄漏冷却剂转化的气溶胶粒子进行连续监测.气溶胶粒子在裂缝中输运沉积.本文对气溶胶粒子进行数值模拟分析,得到长直裂缝中低雷诺数下气溶胶粒子的输运沉积情况.研究发现,气溶胶粒子在裂缝中输运受到空气流速,气溶胶粒径,裂缝尺寸等因素的影响.在低雷诺数下,随着裂缝长度增加,能够穿透高...     

关于无限棒束间流动和传热特性的数值研究

应用非线性ｋε湍流模式，采用非正交曲线坐标系下求解三维ＮＳ方程的非交错网格有限体积方法，数值模拟了充分发展条件下，三角形排列无限棒束间通道内，不同的几何参数（Ｐ／Ｄ），雷诺数（Ｒｅ）下的流动和传热问题。给出了不同参数下的速度和温度分布以及湍流二次流动，分析了几何参数、雷诺数及二次流对棒束内流动和传热特性的影响，得到了不同参数下通道的摩擦系数和Ｎｕｓｅｌｔ数，并与经验关系式作了比较     

三角形排列的紧密栅元棒束内流动行为的数值模拟

对三角形排列紧密栅元通道内的空气湍流流动进行了数值研究,系统考察了涡粘性和雷诺应力两类湍流模型模拟紧密栅元通道内流动特征的适用性.结果表明:SSG雷诺应力模型对流动有较好的模拟,这说明湍流各项异性的模拟在紧密栅元中十分重要;不同雷诺数和几何结构下的模拟显示,二次流的大小和雷诺数的相关性不大.但随着棒间距和棒径比(P/D)的增大,二次流减小.     

矩形通道速度边界层可视化实验研究

板状燃料组件结构紧凑、冷却剂通道狭窄，其边界层流场特性是决定矩形通道与常规通道内单相流动和传热特性存在差异的重要因素。本文采用粒子图像测速(PIV)技术，对间隙为2 mm和3 mm的矩形通道的速度边界层进行了可视化实验研究，分析了矩形通道边界层内速度分布、雷诺切应力等流场特性，探究了通道间隙对边界层的影响规律。实验结果表明，矩形通道的湍流边界层无量纲速度分布符合Spalding公式，在距离窄边壁面0.2～0.3 mm范围内存在雷诺切应力峰值区，随着雷诺数的增加，速度边界层的黏性底层逐渐减薄，对数律层占比增大，雷诺切应力峰值区向壁面方向靠近。减小矩形通道间隙，将会限制近壁面速度剖面的发展，使得近壁面速度梯度增大，湍流强度减小。     

5×5棒束通道内流动转捩特性研究

棒束通道的特殊结构导致其内部流动转捩情况较为复杂,探究其内部流动转捩规律具有重要意义。本文针对棒束通道内的流动转捩特性开展实验与CFD模拟研究,通过实验获得了棒束通道内沿程阻力系数的变化规律;采用不同湍流模型进行了数值模拟。结果表明,SST k-ω模型能较好地反映实验结果。进一步对比了不同雷诺数工况下通道内不同位置的沿程阻力系数与湍流强度,发现对于不同子通道,中心子通道湍流强度与沿程阻力系数高于边角子通道;对于同一子通道,子通道中心处湍流强度与壁面切应力高于子通道边缘处。这一结果说明,受壁面影响,棒束内湍流强度、壁面切应力、阻力特性具有不均匀性,这些空间上的不均匀性相互作用会引起总体上棒束转捩点不明显。     

棒束内湍流流动特性的PIV与CFD研究

在压水堆燃料组件的定位格架下游,局部扰动沿流动方向逐渐衰减,流场最终趋于稳定。光滑棒束区冷却剂的湍流流动和交混特性是影响反应堆经济性和安全性的重要因素,有必要进行深入研究。本文采用粒子图像测速（PIV）与数值模拟(CFD)相结合的方法,对3×3小规模棒束内水的流动特性进行研究,得到了一阶平均流速以及二阶湍流统计信息。结果表明,中心子通道的速度明显高于棒间隙区,但轴向均方根速度呈现出相反的变化趋势。在相邻子通道横向速度梯度的作用下,棒束内出现了大尺度的流量脉动现象,且脉动波长随雷诺数的增加而增大。此外,实验得到的湍流交混系数较压水堆采用的Castellana公式预测值偏高10%左右,这一偏差随雷诺数的增加有减小的趋势。     

棒束子通道湍流交混特性的数值模拟研究

为了提高核反应堆系统的经济性和安全性,本文采用CFD方法对棒束子通道间湍流交混效应进行研究。对子通道建模,选取SST k-ω模型进行计算,完成了网格敏感性分析。采用类比浓度计算法与间隙湍流热流法对湍流交混系数进行计算。计算结果表明：雷诺数较小时,单相湍流交混系数随雷诺数的增大而增大;当雷诺数达到一定值时,单相湍流交混系数近似为定值;采用类比浓度计算法与间隙湍流热流法计算所得的湍流交混系数无太大差别。本文拟合得到了适用于单相工况的湍流交混系数计算公式。     

自然循环与强迫循环条件下阻力及换热特性对比

为研究自然循环和强迫循环条件下流动及换热特性的区别,以单面加热窄矩形通道为研究对象,在压力0.2 MPa、实验段入口欠热度30~60℃的条件下,分别进行了强迫循环和自然循环条件下流动及换热实验。等热流密度条件下的阻力实验研究表明:在层流区,强迫循环和自然循环条件下的阻力特性几乎相同;在湍流区,修正后的Blasius关系式能同时适用于强迫循环和自然循环条件下的阻力预测;通过对比发现,强迫循环和自然循环条件下的转捩点雷诺数以及过渡态雷诺数区间几乎相同。换热实验研究表明:在湍流区,适用于强迫循环条件下的Gneilinski关系式能对自然循环换热能力较好预测;通过分析发现,在本实验研究范围内,自然循环与强迫循环条件下换热能力无明显区别。     

压力驱动的毛细管内气体流动特性数值研究

安全壳缝隙内气溶胶的输运与滞留与缝隙内的气体流动密切相关。为利用现有的气溶胶穿透系数关系式评估事故后缝隙内的气溶胶滞留效率，以毛细管为代表性缝隙，基于一维可压缩绝热流动方程提出了一种压力驱动的气体流动计算方法，能够计算气流的亚音速、临界音速与壅塞状态。采用代表性的毛细管流动特性实验和计算流体力学(CFD)方法对本文提出的计算方法进行验证，结果显示流动变化趋势一致，气体流量与实验值相比绝大部分偏差小于10%,证明了一维计算方法的准确性与合理性，且效率优于CFD方法。在此基础上分析了毛细管两侧压差和内径对气体流动的影响，得到了不同内径毛细管内质量流量随压差的变化规律。本文研究结果可以为缝隙内气溶胶的滞留评估奠定技术基础，后续将拓展该计算方法至压力驱动的毛细管内多组分气体流动的模拟。     

升沉条件下矩形窄缝通道单相等温流动摩擦阻力特性研究

采用实验和理论分析相结合的方法研究升沉条件下矩形窄缝通道以水为介质的单相等温流动摩擦阻力特性.结果表明,矩形窄缝通道的几何效应体现在层流区；影响升沉条件下矩形窄缝通道摩擦阻力特性的因素是通道入口和出口边界条件；当入口和出口均给定速度边界时,升沉运动对等温流动没有影响,在静止状态获得的摩擦系数计算公式在升沉条件下仍然适用...     

矩形通道内脉动湍流流动特性实验研究

在流量脉动条件下,本文对矩形通道内的湍流流动特性进行了实验研究,通过理论分析,得到了影响脉动湍流的主要作用力和关键的无量纲数,分析了脉动周期、相对振幅等因素对流量与压降的相位差、压降-流量曲线、时均摩阻系数的影响,并与稳定流动状态下的流动特性进行了对比。实验结果表明:对于低频脉动湍流,压降驱动力、摩擦阻力和流体自身惯性力是影响流动特性的主要作用力;脉动湍流中,流量的变化滞后于压降变化,存在相位差;由于流体的惯性作用,脉动周期越小,流量脉动的幅值越小;速度相对振幅增大并超过临界值时,时均摩阻系数会显著增大。     

海洋条件对棒束间湍流流动传热的影响

对海洋条件下典型7棒束和4棒束通道内的流体流动传热特性进行理论分析.分析结果表明,在海洋条件下,由于流速的波动,加热管壁上始终有周期性变化的蓄热存在.在7棒束通道内,由于四周壁面和加热管管壁的限制作用,垂直于流动方向的附加力对流体的影响非常小,流体的流动和传热特性主要由轴向湍流强度和入口流速决定.而在4棒束通道内,由于...     

严重事故下裂变产物气溶胶自然沉积现象研究

以600 MW压水堆核电厂为研究对象,在一体化安全分析模型的基础上建立重力沉降、扩散电泳、惯性碰撞和热电泳4种裂变产物气溶胶的自然沉积模型,选取典型的严重事故序列,分析严重事故下裂变产物气溶胶的自然沉积现象。将MELCOR程序的重力沉降模型植入本文的一体化分析模型,对重力沉降份额进行比较。研究表明,重力沉降对气溶胶沉积的贡献最大;本文采用的重力沉降模型比MELCOR程序重力沉降模型的沉降效应稍强。     

摇摆条件下窄矩形通道内流动传热特性数值模拟

建立窄矩形通道在摇摆条件下湍流流动的物理数学模型,应用数值分析方法模拟窄矩形通道的三维非稳态流动的传热过程;考察摇摆条件下通道内流动阻力和换热性能及其随雷诺数Re、摇摆周期T及摇摆幅度max影响的变化规律。结果表明,摇摆状态下窄矩形通道内速度场呈周期性变化;时均摩擦系数favg和时均努塞尔数Nuavg比非摇摆工况下的结果大,Nuavg满足拟合公式0.851 0.4Nu 0.023Re Pr;在相同Re和摇摆周期T下,通道内流体摩擦压降和Nu的变化幅值随max的增大而增大,其变化周期等于T;在相同Re和max下,摩擦压降pf和Nu的变化幅值随T的增大而减小,其变化周期等于T。     

基于灰色关联度的棒束通道内液态铅铋合金中颗粒物运动沉积研究

液态铅铋合金在流动中产生的不溶性颗粒物会在流道内局部聚集，影响铅铋快堆的运行。利用ANSYS软件对小型自然循环铅冷快堆SNCLFR-100棒束通道中颗粒物沉积进行了数值模拟计算，得到颗粒物的沉积运动情况；基于灰色理论，得到颗粒物种类、颗粒物粒径、颗粒物速度对颗粒物沉积的影响。结果表明：通道内颗粒物沉积主要发生在入口阶段，进口段表面为大面积附着沉积，在中段及后段表面为点状沉积；随着轴向距离的加大，湍动能大小是影响颗粒物径向分布的主要因素；颗粒物密度以及粒径的增大会加强颗粒物的沉积；颗粒物速度的增大会降低颗粒物的沉积；对颗粒物沉积的影响程度大小为粒径>种类>速度。