基于CFD方法的铅铋冷却燃料棒束的热工水力特性分析

铅铋冷却快堆作为第4代反应堆候选之一具有安全性高等特点，研究其在正常工况下的热工水力特性具有重要意义。本文基于商用计算流体力学（CFD）软件STAR-CCM+，使用流固耦合的方法对带有绕丝结构的19棒束铅铋组件进行数值分析，探究了质量流量、功率等边界条件对组件内部流动传热特性的影响。模拟计算结果表明：CFD方法在子通道中心温度和壁面温度预测上与实验结果取得了较好的一致。同时，绕丝结构的存在使得子通道之间存在周期性的横向交混，并使得棒束表面温度呈现震荡。随质量流量的增加，子通道间横向交混增大。功率变化对通道间的横向交混速度的影响较小，冷却剂温度的横向分布无明显差异。     

大空间内底部弧形加热段自然对流传热特性研究

为准确预测安全壳上封头的自然对流换热特性以保证堆芯余热安全排出，设计了采用底部弧形加热段的矩形封腔自然对流装置，研究导热率对底部弧形加热段和封腔内流体温度分布的影响，并基于开源软件OpenFOAM，采用数值模拟方法对比分析2种湍流模型和3种湍流热通量模型的适用性。结果表明，流体沿弧形面的流动受边界层和绕流脱体强化现象的影响，局部自然对流换热强度从顶部向两端先减小后增大；材料热导率对弧形面的温度分布影响比较大，但对于加热段外的流体温度分布影响极小；经过对AFM模型进行修正，得到了更适用于实验条件的模型参数值，修正后的模型对流体速度场的模拟更为准确且在更高功率工况下也得到验证。本研究可为后续方案设计的有效性评价提供参考。      

气泡破裂及其诱发射流液滴释放过程的实验研究

本文基于实验方法,通过高速摄像的方法捕捉不同直径下的气泡破裂过程及射流液滴的释放过程,获得了气泡破裂后气泡空腔的演变过程,捕捉了射流液滴的速度,探究了气泡直径和气泡表面寿命对射流液滴释放过程的影响规律。实验结果表明,气泡表面寿命对气泡破裂产生射流液滴的过程有着重要影响。随气泡表面寿命的增加,破裂气泡产生的射流液滴的速度也随之增加。当气泡直径较小时,气泡表面寿命呈现Rayleigh分布的特征,射流液滴的释放概率也较高。随气泡直径的增加,气泡表面寿命逐渐转变为指数衰减分布的特征,射流液滴的释放概率也随之下降。基于现有实验数据给出了一个精度更高的射流液滴速度与气泡直径关系式。     

矩形封闭腔内底部弧形面加热自然对流换热实验研究

小型模块化反应堆的安全壳上封头被设计浸没在大量冷却剂中,在严重事故发生后,安全壳内的堆芯余热通过上封头外部的自然对流排出。为了研究安全壳上封头外部自然对流换热的二维特性,利用一个矩形封闭腔装置,在底部弧形面加热及常压条件下,开展了换热实验。同时利用粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry,PIV)测量了弧形加热面周围的流场形态。研究发现:平均努塞尔特数(Nu)随加热功率而增大,但增长速率呈降低趋势;沿着弧形加热面向上,局部换热强度先减小后增大,在弧形面40°附近达到最低值;PIV测量结果展示了加热面周围流场形态;主流区的流动速度分层现象明显,且在X=50 mm前后的分层趋势相反,其主要源于横向速度的差异;最大流速与加热功率无关,功率主要影响主流区域的流动速度和其横向速度分量。     

静水中单气泡运动特性实验研究

气泡运动特性是两相流研究的重要领域之一。本文基于图像识别技术对静水中单气泡的上升过程及其动力学特性进行研究，分析了不同等效体积直径下气泡上升过程中轨迹、变形程度、瞬时速度等参数。研究结果表明：椭球型单气泡上升过程中横向振荡幅度峰值与横向速度峰值呈正比，瞬时纵横比与瞬时纵向速度呈反比；单气泡横向运动位置、纵横比、上升速度具有周期性变化的现象。通过定量分析气泡末速度与等效体积直径的关系，对已有预测关系式进行了比较和评价，并基于实验数据拟合得到了一个更为精确的显式末速度关系式。