熔盐堆旋叶式气水分离器工作特性数值分析

本文以熔盐堆脱气系统中旋叶式气泡分离器为研究对象,利用数值分析软件Fluent对分离器内的流场进行了数值模拟,并分析了其工作原理和影响因素。首先,不同的湍流模型计算结果与实验现象的对比分析表明,雷诺应力模型在不同工况下计算得到的流场分布与实验现象符合最好。在确定适合用于模拟旋叶式气泡分离器内流场的计算模型基础上,对分离器内流场作进一步的计算分析。结果表明,水在流量20 m3·h-1条件下,流经分离器搅浑叶片后,会形成一种中心低速低压的旋转流动,且在横截面中心区域附近存在很大的径向压降梯度,如果水流中存在少量气泡,便会在压力梯度的作用下,流向分离器中心,汇聚形成稳定的气芯,从而实现对流体中气相的连续分离。     

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。      

熔盐堆除气系统中气泡分离器运行特性

设计3种结构参数的分离器,并以空气和水为工作介质,对气泡分离器进行测试,以期找到最佳的气泡分离器结构参数。采用可视化实验方法,利用高速摄像系统记录气泡的分离过程,分析叶片结构对分离过程的影响。结果表明,叶片进出口角度、叶片长度、叶片个数等参数变化均会影响气泡的分离过程;对于搅浑叶片的设计,出口与轴向夹角不应超过45°,搅浑叶片个数应该在5个以上且长度大于50 mm。     

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。     

西德蒸汽发生器的汽水分离器

一、研究概况西德 KWU 为研究 U 型管蒸汽发生器两相流分离系统的特性进行了专门的试验,并根据试验结果分析了不同水位、不同汽水流量以及压力变化对分离器的压降、蒸汽湿度和疏水含汽量的影响。分离器和干燥器的综合性能与至今获得的运行经验表明,其分离系统完全能保证蒸汽发生器出口蒸汽湿度低于0.25%的规定值。目前裝设在 KWU 标准蒸汽发生器内的分离系统是大量试验的结果。研制汽水分离器之初,KWU 即确立了两个目标:①研制的分离系统必须保证在各种运行工况下     

旋叶汽水分离器试验和数值模拟研究

针对旋叶汽水分离器的缩比模型展开空气-水冷态试验性能分析和数值模拟研究。试验表明：分离效率主要受水流量的影响,随水流量的增大呈逐渐上升的趋势,当水流量增大到0.3 m³/h后增加趋势逐渐减缓进而出现下降的趋势。压降对空气流量变化敏感,随空气流量的增大显著上升。进一步建立旋叶分离器CFD数值分析模型,采用欧拉两流体模型,气相为连续相,液相为离散相,并使用雷诺应力RSM方法求解湍流应力。计算分析了液滴粒径对分离特性的影响,结果表明,液滴粒径分布对分离效率有显著影响,微小粒径液滴的存在显著降低了气液分离效率。     

两级旋风式汽水分离器的分离性能研究

在研究国内外相关资料的基础上，设计了一种两级旋风分离器结构并针对该结构的分离性能进行了详细的数值模拟研究:依据两级旋风式汽水分离器的结构建立计算分析模型，采用数值模拟分析计算了汽水分离器的分离性能，研究不同入口速度、不同湿度对分离器分离特性的影响，搭建了气-水冷态试验回路对模型进行了验证。分析结果表明数值模拟计算结果与冷态试验结果趋势一致，分离效率计算结果偏差小；设计工况中，分离器总体分离效率优于99.5%；一级分离器适用于粗分离，其分离效率随入口湿度和速度的增大而减小；二级分离器适用于小液滴分离，其分离效率与入口速度呈正相关，与入口湿度呈非线性关系。      

核反应堆压力容器主密封瞬态性能研究

为研究核反应堆压力容器主密封瞬态力学特性和密封性能，本文建立了主密封结构三维数值模型，分析了主密封组件在典型瞬态条件下的温度和应力分布特性，从法兰和主螺栓变形协调机理角度，研究了主螺栓应力在瞬态条件下的变化规律及内在原因，总结了密封面处法兰轴向分离量变化机制，并对瞬态循环条件下密封面累积塑性变形和法兰分离量演化规律进行了预测研究。研究结果表明，温度滞后效应导致主螺栓在瞬态条件下应力交变幅值大；瞬态温度和压力对密封面处分离量影响很大，急速升压会使得分离量快速增大；在启停堆瞬态循环作用下，密封面处分离量曲线呈现周期性特征，经历若干次循环后分离量曲线达到稳定，密封面局部弹塑性变形达到安定，整体塑性变形分布趋于均匀。     

高温气冷堆氦净化及氦辅助系统丝网气水分离器分离效率理论分析

氦净化及氦辅助系统是确保高温气冷堆安全运行的重要系统之一。该系统中,丝网气水分离器用于分离含氚废水及事故后除湿,是关键设备之一。本文基于理想流体流动模型和Carpenter的网垫级模型,建立丝网气水分离器分离效率计算模型,在此基础上编制了SEP-WMME计算程序,计算结果与实验结果吻合较好。利用SEP-WMME程序对球床模块式高温气冷堆（HTR-PM）氦净化系统工程验证试验回路中氦净化再生系统丝网气水分离器进行理论分析,结果表明：对于氦净化再生系统的丝网气水分离器,进气速度是一重要物理量,当进气速度达到3.0 m/s以上时,能获得较高的分离效率;丝网层数对分离效率有显著影响,但丝网层数达到一定程度后,效率提高不明显,需同时考虑压力损失,选择合适的层数;丝径也是影响分离效率的重要参数,丝径越小,分离效率越高。本文结果对氦净化及氦辅助系统中丝网气水分离器的结构设计、优化、安全运行具有重要作用。     

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。      

旋叶分离器中液滴运动相变特性分析

为研究AP1000核电站蒸汽发生器中初级旋叶分离器的液滴运动相变特性以及液滴相变对汽水分离性能的影响,通过建立液滴运动相变模型,基于AP1000旋叶分离器三维模型,采用欧拉-拉格朗日方法求解气液两相流动模型,计算得到了不同工况下旋叶分离器的汽水分离效率和压降的变化规律,并分析了液滴相变特性对分离效率的影响,获得了不同初始半径液滴的相变特性。计算结果表明:随着蒸汽流速的增加,分离效率和压降快速增加;压降相同时,半径较小的液滴在运动蒸发过程中半径变化百分比较大,相比半径较大的液滴其运动轨迹容易改变,更易逃逸出分离器,造成考虑相变时的分离效率降低;在正常运行工况下,液滴相变对分离效率的影响可忽略。计算结果可为进一步研究汽水分离装置中的汽水分离性能提供理论依据,并用于指导汽水分离装置的设计。     

双钩波形板汽水分离器疏水钩优化研究

为提高双钩波形板汽水分离器的分离性能，采用计算流体力学方法建立波形板内的两相流动模型，并对不同结构疏水钩的波形板汽水分离器进行研究。通过数值计算得到了波形板内的速度云图和液滴运动轨迹，并分析了不同进口速度下疏水钩结构对压降和分离效率的影响。结果表明：大部分液滴在前两级通道被分离，进口速度为0.922 m/s时其质量份额可超过50%；疏水钩通过影响流场的局部流速和湍流强度进而影响压降和分离效率，疏水钩对液滴的直接拦截作用有利于提高分离效率。综合考虑分离效率和压力损失获得了综合性能良好的双钩波形板汽水分离器结构型式。     

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。      

AP1000核主泵排气过渡工况下瞬态流动特性研究

为了研究核主泵在排气过渡工况下的气液两相流瞬态流动特性,基于非均相流模型,采用CFX软件对核主泵排气过渡工况进行瞬态数值模拟,通过分析叶轮、导叶流道内的压力脉动、涡量变化及速度分布,得到了排气过渡过程的流动变化规律。研究结果表明：气液两相工况下,叶轮各流道内气相、液相的不均匀分布及两相之间的滑移作用,导致叶轮径向力产生大幅度波动;核主泵采用的扭曲型径向导叶,在进口含气率较高的工况下,其流道内易产生气泡堆积现象,使过流面积减小,产生较大的能量损失;核主泵类球形蜗壳的对称性结构,使左侧类隔舌部位出现低流速区,堵塞了部分出口流道,这也是核主泵排气过渡工况运行不稳定的重要原因。     

Large eddy simulation of unsteady flow in gas-liquid separator applied in thorium molten salt reactor

Axial gas-liquid separators have been adopted in fission gas removal systems for the development of thorium molten salt reactors. In our previous study, we observed an unsteady flow phenomenon in which the flow pattern is directly dependent on the backpressure in a gas-liquid separator; however, the underlying flow mechanism is still unknown. In order to move a step further in clarifying how the flow pattern evolves with a variation in backpressure, a large eddy simulation(LES) was adopted to study the flow field evolution. In the simulation, an artificial boundary was applied at the separator outlet under the assumption that the backpressure increases linearly. The numerical results indicate that the unsteady flow feature is captured by the LES approach, and the flow transition is mainly due to the axial velocity profile redistribution induced by the backpressure variation. With the increase in backpressure,the axial velocity near the downstream orifice transits from negative to positive. This change in the axial velocity sign forces the unstable spiral vortex to become a stable rectilinear vortex.     

自吸式文丘里水洗器引射特性研究

以安全壳过滤排放系统中的自吸式文丘里水洗器为研究对象,采用空气和水为工质,在不同空气流量、液位及系统压力下对文丘里水洗器的引射特性进行实验研究。结果表明,随着喉部气相折算流速(简称喉部流速)的增加,吸液口两侧压差近似呈抛物线规律增长,引射量线性增加。压力容器内的液位对引射特性的影响与其相对于文丘里水洗器出口的位置有关,当液位低于文丘里水洗器出口时,随着液位的提升,引射量获得明显的提高,并随喉部流速的变化表现出分区效应,喉部流速较低时,增加液位对于改善引射量更加有效;当液位在文丘里水洗器出口以上变化时,对引射量几乎无影响。压力是影响自吸式文丘里水洗器引射特性的重要因素,这主要归因于气体密度的变化,在0~150kPa范围内,随着压力的提升,引射量得到明显改善,且在高喉部流速区域压力变化对引射量的影响较在低喉部流速区域更加显著。