钍基熔盐堆旋叶式气水分离器工作原理分析

通过实验研究和数值模拟的方法对熔盐堆脱气系统中旋叶式气泡分离器的工作原理进行研究;对照实验现象和数值模拟得到的流场分布,对气泡汇集、聚合和最终气芯的形成过程进行分析。结果表明:水在搅浑叶片的导流作用下会形成一种存在较大径向压力梯度的旋转流动,且径向压力梯度提供的向心力大于流体旋转运动产生的离心力,使得水流中的气泡流向分离器中心;分离器中心区域的径向压力梯度很大且气泡相对运动速度很低,满足气泡发生聚合的条件,因而汇集到中心的气泡会聚合并最终形成稳定的气芯,从而实现对流体中气相的连续分离。     

裂变气体分离器气泡分离轨迹的数值模拟

钍基熔盐堆是我国重点开发的第四代核反应堆之一,其裂变反应产生的中子俘获截面大的Kr、Xe等裂变气体以微气泡的形式存在于熔盐冷却剂中,对裂变气体的分离是提高熔盐堆中子经济性、实现燃料深燃耗的重要环节。为定量地获得分离器内气泡的分离行为,采用数值模拟和理论建模相结合的方法,得到旋流场的流场分布特征;通过建立旋流场中气泡运动控制方程,分析并计算不同旋流度和气泡直径下的分离长度。与实验数据对比发现,数值模拟结果和实验数据吻合良好,表明数值模拟方法可以用于气液分离器的优化设计。     

蒸汽发生器的旋叶分离器性能研究

通过对旋叶式汽水分离器（简称旋叶分离器）内部的汽水分离过程进行分析，建立了旋叶分离器的分离性能模型，为今后旋叶分离器在不同工况下的分离性能进行预估计算提供计算方法，同时根据旋叶分离器冷态模拟实验结果分析，找出了影响旋叶分离器性能的主要原因，并整理出阻力计算的经验关系式。     

新型旋叶分离器分离特性与机理研究

为定量地获得熔盐反应堆旋叶分离器中气泡的分离行为,采用计算流体力学（CFD）方法获得了分离器液相流场分布,基于涡旋模型耦合相间作用力的气泡分离模型开发了气泡运动的数值计算程序,快速预测了分离器内熔盐介质中气泡的临界分离直径。通过对气泡受力的量化,阐述了气泡的分离机理。分析表明,气泡受到的相间作用力的大小与其运动到分离器内不同半径位置密切相关;气泡在轴向上受到的附加质量力分力和曳力分力决定着气泡分离长度;气泡在径向上受到的压力梯度力、升力与曳力、附加质量力相平衡时,其不能再向心运动进入气芯被捕获分离。      

液相粘性对旋叶式分离器壁面液膜界面不稳定性的影响

对液相粘性条件下的旋叶式分离器壁面液膜稳定性进行研究。通过对粘性条件下液膜界面的受力和运动特性的分析,获得旋转流场中的气液界面动力学和运动学边界条件。利用势函数对动量方程和连续方程进行线性化处理,结合边界条件,建立粘性条件下的液膜界面色散方程,获得液膜界面稳定性的判定准则。结合液膜运动规律模型,编写液膜界面稳定性计算分析程序,对粘性条件下界面稳定性进行了分析,获得了液相粘性对旋叶式分离器内部液膜稳定性的影响规律。     

熔盐堆中气泡分离器内部流场的数值模拟

气泡分离器是熔盐堆脱气系统中不可或缺的关键设备之一，通过离心分离的方式去除反应堆中氙等裂变气体及其载气。本文利用CFD软件Fluent，采用瞬态的二次压应力雷诺应力模型，对气泡分离器内部液相流场进行了数值模拟。分析了边界条件变化对分离器分离特性的影响。结果表明：系统压力对切向速度分布、压力分布及轴向零速包络面的结构均有较大影响，进而影响设备的分离特性。另外，对比计算结果与实验现象，也可看出，增加出口压力有利于气液分离。     

离心力对旋叶式分离器壁面液膜界面不稳定性的影响

本文对旋转流场条件下离心力对旋叶式分离器壁面液膜界面不稳定性的影响规律进行了理论研究。首先利用势函数对汽液两相的动量方程和连续方程进行线性化处理。然后通过对无黏条件下液膜界面的受力分析,获得汽液界面的动力学边界条件和运动学边界条件,结合线性化方程组建立液膜界面波的色散方程。根据力平衡原理获得了液膜运动规律,并结合色散方程建立了界面不稳定发生的判定准则关系式。基于所获得的理论模型编写计算程序,对界面稳定性进行计算分析。研究发现,旋转流场条件下的离心力能够抑制旋叶式分离器壁面液膜界面不稳定的发生。     

AP1000旋叶式汽-水分离器分离效率与压降的数值模拟

建立基于拉格朗日-欧拉方法的气-液两相流动的数学模型,利用商用计算流体力学软件CFX对该模型求解,数值模拟几何缩比后AP1000旋叶式汽-水分离装置内部冷态工况下气-液两相流动特性。模型中空气为连续相,其内运动的液滴视作离散相,针对液滴在流场中的运动特点,考虑液滴受到曳力、虚拟质量力、浮力和重力,并以此建立空气和液滴动量双向耦合的动力学模型。针对9个不同工况,利用CFX软件对两相流模型进行求解,得到不同直径大小的液滴在流场内的运动轨迹,进而得到分离器的分离效率和进出口总压降。结果显示:分离效率的计算值与冷态实验数据非常吻合,且压降计算值与冷态实验值变化趋势基本一致,验证所建立模型的正确性。     

基于计算流体动力学的矩形通道内气泡运动机理研究

基于计算流体动力学(CFD)方法,利用体积流(VOF)模型对矩形流道内单气泡及双气泡运动进行了数值模拟,并分析了其运动规律。模拟结果与前人实验观测结果相符。单气泡上升过程中经历加速上升和摆动上升两个阶段,其稳定速度与Eo数相关,摇摆阶段的气泡轨迹类似于周期性的正弦曲线。上下分布的气泡会发生聚并现象,水平对称分布的气泡上升过程中会出现规律的分离、靠近现象。研究表明:该方法能够准确地模拟气泡的运动,获得气泡运动的机理,可以作为进一步研究自然循环中不同浮升力下气泡分布机理研究的基础。     

旋叶式分离器叶片区液滴动力学行为研究

对旋叶式汽水分离器叶片区域液滴受力进行合理简化,得到旋叶式分离器叶片区域液滴动力学方程。利用数值模拟对比不同液滴直径、空气入口流速和叶片升角时,液滴通过叶片区、液滴撞击叶片和液滴撞击筒壁份额的变化。当液滴尺寸增大、空气入口流速增大或叶片升角减小时,液滴撞击叶片份额呈现增加的趋势,叶片升角对结果的影响不大。液滴曳力与惯性力的比值在时间上的积累越大,液滴越不容易撞击到叶片上。     

蒸汽发生器一级汽水分离器内流场数值模拟

以压水堆核电厂蒸汽发生器一级汽水分离器为研究对象，采用基于计算流体动力学（CFD）的计算软件ANSYS Fluent对湿蒸汽进入汽水分离器后的流场特性和汽水分离性能进行模拟，在模拟过程中采用了欧拉多相流模型和k-ε Realizable湍流模型相结合的计算模型。对工质流经汽水分离器的模拟结果表明，在汽相与液相经由汽水分离器流至各自出口时，出现明显的分层现象。对比不同切向出口和不同液滴粒径下的模拟结果表明，出口面积越大，汽水分离器对液滴的分离效果越好；在0.01~0.10 mm的粒径范围内，液滴粒径越大，分离效果越好。对不同负荷条件下汽水分离器分离效率的模拟结果表明，分离效率随机组负荷升高略有降低。      

晃荡对气泡上升运动影响的数值研究

海洋条件中风浪等因素会导致船舶上存在自由液面的容器产生剧烈的晃荡运动。为了分析晃荡条件下液体中的气泡行为特性,在计算流体动力学软件Fluent平台下运用流体体积函数法模型,对晃荡条件下气泡在液体中的上升过程进行数值模拟。计算结果显示,晃荡条件下气泡呈周期性摆动上升,并伴随着聚合与分离现象。分析表明,晃荡对气泡运动行为特性产生的影响不可忽视,剧烈的晃荡运动会影响气泡的脱离尺寸,在加速部分气泡分离的同时阻碍部分气泡的运动而导致气泡聚合;晃荡运动还会致使气泡在水平方向偏离比较大的位移。     

蒸汽流速对旋叶式汽水分离器分离性能影响的数值模拟

基于两流体模型和雷诺应力湍流模型,在不同的入口流速条件下,对旋叶式汽水分离器的分离过程进行了数值模拟,分析了蒸汽流速对不同直径液滴分离过程以及壁面附近液膜或高液滴浓度弥散层的影响规律。研究表明,蒸汽流速对分离性能的影响与液滴直径有关,当液滴直径处于某一区域时,蒸汽流速对分离性能的影响较明显,蒸汽流速越大,分离性能越好;当蒸汽流速较低时,在分离筒壁面出现液相流体累积。     

反应堆流场分布优化实验研究和理论分析

采用法国TRIO-VF反应堆热工水力计算程序对反应堆流场进行数值计算,其几何模型与实验模型完全相同,获得了满意的结果.采用国内外最先进的PIV粒子成像测速仪对反应堆流场进行测量,获得了上腔室周边流场和上封头流场速度分布与压力分布以及吊篮上法兰喷嘴阻力系数.对测量结果进行了详细的分析讨论,并将计算结果与实验结果进行了对比分析.结果表明,上腔室和上封头内流场的速度和压力均相符较好.     

气泡运动的格子Boltzmann方法数值模拟

运用一种双分布函数多相格子Boltzmann模型,对几种气泡运动进行数值模拟,并分析了模型本身。指出在使用模型进行分析计时应注意的一些问题。进一步对气泡上升过程中流场压力分布的分析,提出模型中浮力产生原理的假设,根据假设提出了计算气泡上浮时适当的引入浮力的方法。     

离心机流场非稳态过程的初步数值模拟

摘要：从非稳态线性离心机流场运动方程出发，利用有限体积法，采用交错网格得到离散方程。通过数值求解得到了存在温度驱动情况下，离心机内形成小扰动流场的过程。从形成小扰动流场的非稳态过程可以看出扰动流场在开始和稳定阶段的影响因素不同，从温度引起的轴向压强的不平衡引起流动逐渐过渡到压强分布不同而引起的轴向环流。数值模拟为更好地研究离心机内流场的非稳态过程提供了依据。     

旋向对螺旋管束内铅铋流动传热特性影响的数值模拟研究

螺旋管式直流蒸汽发生器（H-OTSG）被广泛应用于液态金属反应堆的设计中，其中相邻的径向螺旋管束可以布置为同一旋向或相反旋向，不同的旋向策略会影响到蒸汽发生器壳侧的流动行为。为探究不同旋向对螺旋管束中铅铋流动与传热特性的影响，采用剪切应力输运（SST k-ω）模型、湍流模型和Kays湍流普朗特数（Prt）模型对其进行数值模拟研究。首先通过现有液态金属横掠棒束实验对数值方法进行了验证；其次建立了同一旋向和交替旋向2种螺旋管束模型，比较了其传热和阻力的差异；最后从流场的角度对产生差异的原因进行了分析。结果表明，交替旋向的螺旋管束中的阻力和传热分别比同一旋向管束高7.1%和4.4%，这是因为交替旋向管束中的速度场更均匀且湍流交混更强。     

基于扩散界面法的液态LBE中单个弹状气泡上升行为CFD研究

利用扩散界面法对液态铅铋合金中弹状气泡在垂直管中的上升过程进行数值模拟研究,用来验证扩散界面法在模拟液态铅铋合金(LBE)中弹状气泡上升行为的准确性和可行性,并对模拟结果进行进一步分析,来解释弹状气泡在LBE中的上升行为。数值模拟得到不同液体流速情况下弹状气泡在上升过程中的形态和速度变化,数值模拟结果与文献中的经验关系式以及实验中的结果都吻合良好,证明了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中弹状气泡上升行为的准确性和可行性,为液态金属和弹状气泡的两相流提供了一种新方法。对数值模拟结果进行进一步分析,发现气泡尾部形态变化较大,会在尾部两端分裂出子气泡,尾部附近流场产生旋涡,受到强烈干扰而出现湍流,对于提高换热效率起到积极作用。气泡上升对尾部区域产生影响的最远距离约80 mm,为连续气泡的注入提供了气泡间距参考值。     

涡流式分离器气液两相分离数值模拟研究

对于气液两相分离,传统分离器或体积过大,或旋流强度低,因此考虑提出一种新式的涡流式分离器。利用涡流二极管逆向流动形成强度较高旋流的特点,在旋流腔上方加入一根支管,从切向入口进入的两相流由于密度差和旋流的作用,气相会聚集在中心由于浮力作用从上支管流出分离器,液相会分布在四周由于重力作用从下支管流出分离器,从而实现两相分离。采用数值模拟的方式分别对不同旋流腔尺寸以及出口形状的分离器进行计算,模拟结果表明,在进口流量为0.5 t/h、入口含气率1%~5%工况下,控制底流口压力和入口相同,溢流口与入口压差在80~90 kPa范围内,分离器对粒径在50~100 μm的气泡分离效率可以达到90%以上。      

液滴模型在波形板汽水分离器中的应用

基于液滴运动的物理描述和机理研究,根据液滴在蒸汽流场中的受力及液滴的物性,对液滴的物理状态进行了描述,将单液滴的三维运动模型应用于波形板汽水分离器,对波形板内部蒸汽流场进行了数值模拟,结合单液滴模型程序计算了液滴在波形板内部蒸汽流场中的运动。探讨了液滴在波形板汽水分离器中的分离。