液滴碰撞亲-疏水交界面的动力学特征

液滴碰撞不同润湿性表面将表现出不同的动态行为。为研究液滴碰撞亲-疏水交界面的动态行为,制备了超疏水-超亲水组合润湿性表面,控制液滴（初始直径D0为1.80 mm）以不同速度碰撞超亲水-超疏水交界面。研究结果表明：液滴轻触交界面时,相邻两极端润湿性表面将产生促使液滴铺展的驱动力,液滴在超亲水区域完全铺展,最大铺展直径可达5.51 mm,铺展系数β可达2.93。液滴以一定速度碰撞亲-疏水交界面时,液滴铺展和液滴弹跳同时发生。液滴铺展系数先增大后骤降,铺展系数曲线存在“尖峰”。最终铺展系数逐渐增大并趋于稳定。碰撞速度越大,铺展前期铺展系数越大。对液滴铺展过程中的能量分析表明,液滴动能和表面能的相互转换是液滴运动和铺展的关键。     

喷淋液滴在空气环境下的运动特性

本文以喷淋液滴在空气环境下运动特性为工程背景,建立单个液滴在常温、常压空气环境中的动量方程,分析液滴沉降特性、追赶特性及运动轨迹行为。计算结果表明,不同喷淋液滴初始条件下,短时间内存在重力大于曳力和重力小于曳力两种情况,但最终减速液滴均会达到受力平衡状态;液滴离开喷淋头后,垂向位移均迅速增大,液滴粒径越大、初始速度越大,垂向位移增长的速率也越大,达到相同位移的用时越短;液滴尺寸、初始速度相差越大,液滴追赶所用的时间越短,追赶位移越小,液滴尺寸、初始速度越接近,液滴追赶所用的时间越长,追赶位移越大;液滴初始速度越大、初始直径越大、喷射角度越大,横向速度消失越慢,达到的横向位移越大,喷射液滴覆盖的面积也越大。计算结果有助于优化工程实际中喷淋系统的设计与布置。     

基于液滴碰撞模型的AP1000波形板汽-水分离器性能及结构优化研究

基于已有的液滴碰撞模型,采用数值模拟方法研究了AP1000波形板汽-水分离器的分离性能,通过优化波形板内部结构得到了具有高效低阻特点的波形板。首先采用液滴碰撞模型对波形板内液滴行为进行数学描述,然后对模型进行了数值求解。随后通过模拟液滴在波形板内的运动和碰撞等行为,得到了波形板对含有不同直径液滴、不同入口液滴体积份额的湿饱和蒸汽来流的分离性能与其内部湿度分布。进而通过对波形板结构的改造设计,达到了提高分离效率、降低流动阻力的目的。本文所采用的数值模拟方法对AP1000波形板汽-水分离器的性能优化有着实际的指导意义。     

倾斜条件对喷淋液滴运动特性的影响

本文以倾斜条件下喷淋液滴在空气环境下运动特性为工程背景,建立倾斜条件下单个液滴在常温、常压空气环境中动量方程,分析倾斜角度、喷射角度、液滴直径、初始速度对液滴运动轨迹的影响机理。计算结果表明：液滴初始喷射角度为45°、倾斜角度为30°时,距初始位置垂向距离为50 m的中心剖面的横向跨度约为5.5 m;倾斜角度越大、液滴直径越小、液滴初始速度越小,液滴覆盖范围越小;液滴初始喷射角度越大、液滴直径越小、液滴速度越小,倾斜角度对液滴喷射覆盖范围的影响越小;倾斜角度对倾斜同向和反向的液滴运动轨迹的影响相对大小,与液滴初始喷射角度、液滴直径和初始速度密切相关。研究还表明,液滴离开喷淋头后,按照正向和负向最大位移运动的两个液滴,液滴直径对液滴横向位移由初始状态到最大值的时间影响十分显著,而初始速度、喷射角度和倾斜角度对其影响有限。     

离散液滴运动模型研究

汽水分离器和安全壳喷淋系统是核电厂安全可靠运行的关键设备和设施,其运行过程涉及液滴在流场中的运动、碰撞和相变等物理现象。本文采用欧拉 拉格朗日耦合方法首先建立了离散液滴运动模型,包括单/多液滴运动模型、液滴碰撞、流场耦合、液滴相变、液滴产生和液滴消亡等单立模型,及相应的边界条件和空间条件,来描述多液滴在流场中的运动行为;其次给出了离散液滴运动模型的应用实例,来描述自然界蒸发、冷凝和喷雾等物理现象中的离散液滴运动行为;最后指出了现阶段离散液滴运动模型和算法存在的问题,希望感兴趣的学者在离散液滴运动模型研究方面进一步完善和推动其发展。     

稳压器雾化液滴动力和传热特性数值分析

建立单颗粒球形液滴在饱和蒸汽相中的动力模型及其与饱和蒸汽之间的非稳态传热模型,并根据特性方程,用fortran语言编写计算机程序.对不同尺寸、不同初始速率、不同喷射角的球形液滴的动力参数和传热特性参数进行数值计算.计算结果表明,雾化液滴在饱和蒸汽相中的滞空时间取决于喷雾头与气液分界面之间的垂直距离;雾化液滴与饱和蒸汽之间的传热绝大部分在很短的时间内完成;雾化特性中喷射角和初始速率对液滴单位质量的换热量影响很小,液滴单位质量换热量由液滴初始尺寸决定.     

蒸汽排放系统蒸汽冷凝器动态特性仿真研究

根据核动力商船高压定压蒸汽冷凝器的结构及工作特性,建立了适合蒸汽冷凝器实时仿真分析计算的两相流仿真模型。利用该仿真模型对蒸汽冷凝器进行了稳态计算和动态仿真分析,并将其稳态计算结果与蒸汽冷凝器试验结果进行对比验证。结果表明：该模型能准确模拟蒸汽冷凝器的动态特性,满足核动力装置蒸汽排放系统实时仿真分析要求。研究结果对二回路系统启动及停运的运行和控制系统设计具有指导意义。     

液滴撞击湿壁面实验研究

采用高速摄像仪以11 000 帧/s的拍摄速度对3种不同尺寸的液滴以不同速度分别撞击湿壁面（水平及不同倾斜角度）的过程进行了观测。研究了铺展、产生冠状不飞溅、飞溅3种实验现象。定性分析了初始液滴直径、液滴撞击速度、湿壁面倾斜角度对飞溅现象的作用。定量统计出液滴撞击湿壁面产生飞溅现象的各项临界参数,给出飞溅判据的经验关系式并进行误差分析。结果表明：随液滴撞击速度的增大,撞击湿壁面后会依次出现铺展、产生冠状不飞溅、产生二次液滴飞溅等现象。液滴直径的增加与湿壁面倾斜角度的降低均对飞溅的产生有促进作用。并通过拟合实验数据得到用于判别液滴撞击湿壁面是否发生产生二次液滴飞溅现象的无量纲参数K与无量纲液膜层厚度H^*关系K=3210-122 284.48H^*+2.234 26×10⁶H^*2（0.008 56*<0.033 18）。     

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。     

水滴粒径对旋叶式汽水分离器性能的影响

采用计算流体动力学技术计算分析了水滴粒径对旋叶式汽水分离器性能及其内部流动细节的影响。采用Euler双流体模型结合均值粒径方法计算了分离器内两相流动,粒径选取范围为0.1～150 μm;通过分析流场细节揭示了粒径与分离器性能的内在关系。结果表明：随粒径的增大,压损呈先升后降趋势,分离效率呈“S”型增大趋势;对分离效率产生影响的粒径范围为5～150 μm,而对压损产生影响的粒径范围为大于5 μm;与试验值相比,计算所得压损相对偏差均在4.8%以内,且选用合适的粒径能获得较为准确的分离效率和出口湿度,表明本文计算方案较为可靠;蒸汽流量分配比和水分返流比均随粒径的增大而减小,而返流水分占出水总量的比例较高,可达48%,因此计算中必须加以考虑,建议计算域中加入外围空间。     

熔融金属液滴热细粒化过程研究

熔融液滴的细粒化是决定燃料与冷却剂相互作用破坏后果的关键过程,它决定最终的热能与动能的转化比,是预测事故后果的重要因素之一。然而目前对该过程中基于本身内能的热细粒化机理尚不清楚。本工作通过单个熔融金属液滴与水相互作用的实验,借助高速摄像系统对熔融液滴的热细粒化现象进行拍摄,观察发现熔融金属液滴与水的相互作用经历了若干次加速膨胀细粒化过程,测量到熔融液滴的细粒化时间为0.8ms,两次细粒化的时间间隔为0.8ms,细粒化加速膨胀时间仅为0.4ms。根据实验观察和分析,提出了一种由熔融液滴与水接触面不稳定沸腾效应引起的热细粒化机理。     

套管式直流蒸汽发生器负荷跟动态特性分析

新型核动力装置采用紧凑型的套管式直流蒸汽发生器,根据传热特点,对其热工特性进行了分析。采用主冷却剂平均温度不变和二回路侧蒸汽压力不变的双恒定运行方案及经典PID控制器和负荷跟随运行模式,结合SCDAP/RELAP5/MOD3.4程序,研究了套管式直流蒸汽发生器的动态特性,分析了降负荷时套管式直流蒸汽发生器的动态响应过程。结果表明,通过优化PID控制器参数,对给水流量进行精确控制,可满足蒸汽压力恒定的控制策略,实现双恒定运行方案,使一、二回路的运行达到较好的协调;套管式直流蒸汽发生器升降功率速度快,蒸汽压力稳定,且动态响应时间短。     

高温液滴流辐射换热及蒸发特性

本文针对可应用于空间堆的矩形液滴辐射器（LDR）,研究其液滴流的辐射换热及蒸发特性。在传统的高温液滴流辐射换热模型的基础上,添加了液滴流蒸发模型,并将辐射换热模型与蒸发模型进行耦合,在该模型的基础上开发了高温液滴流辐射换热-蒸发特性分析程序LDFAC。将该程序的液滴层温度分布计算结果进行校核,其相对误差不超过1.9%。使用该程序对装载DC705硅油下不同光学厚度及长度的液滴层辐射换热蒸发特性进行了分析。结果表明：在液滴层的光学厚度较大的情况下,液滴层内部的温度分布非常不均匀,液滴层中心的温度没有显著降低,而液滴层接近外表面部分的温度下降较为明显;温度对LDR的系统寿命有着较大影响,温度每降低10 K,系统寿命可提高约450%,同时,液滴层光学厚度越大,系统寿命也越长。     

Analysis of Droplet Behavior in BWR Separator

Cement is an essential materials to construct the subsurface radioactive waste disposal system. However, cementitious materials alter the groundwater pH to highly alkaline condition about 13. To comprehend the effect of such a hyperalkaline condition on the repository surroundings, this study focused on the dissolution rates of amorphous silica at [NaOH]=10^-1 mol-dm^-3. The used samples were three kinds of pure commercial silica and a natural silica scale which was obtained from inside wall of the hot-water pipe of a geothermal power plant. The observed dissolution rates were interpreted with using the model, which assumed that the particle sizes decrease with the progress of dissolution. Moreover, due to the particle size distribution anticipated in the natural silica scale, this analysis assumed it contained particles with various initial diameters. In the results, (1) all pure silica samples and at least 60wt% of the silica scale showed good agreement of the activation energy of the dissolution in the range of 77 through 88kJ-mol^-1 in the highly alkaline solution, (2) these rate constants were of the order of 10^-8-10^-7 mol-m^-2.s^-1 at around 310 K and were definitely larger than those already reported for quartz, (3) the specific surface area based on BET method was revealed to be an important factor to give the main difference in the dissolution rates between the synthetic silica and the natural silica.     

钠滴燃烧仿真模型研究

对钠冷快堆喷雾钠火计算中使用的传统球状钠滴模型进行了改进,采用表面带有锥状突起的钠滴新模型,使模拟更接近于燃烧实际现象。根据钠滴燃烧过程中表面氧化、预燃和燃烧3个阶段的不同规律,分别建立了数学模型,通过引入单位时间内参与氧化反应与发生气化的钠的质量比γ,模拟计算了钠滴在不同初始温度(200～500 ℃)和不同氧气浓度(4%～20%)下的燃烧温度特性。仿真结果与实验数据吻合较好,并分析了γ的变化规律。     

高温气冷堆石墨构件的碰撞力学行为研究

高温气冷堆的反射层和隔热层主要由数量庞大的石墨砖和碳砖组成,在地震或冲击载荷作用下,部件之间可能发生滑移和碰撞,影响其结构完整性。简化的数值分析模型是研究这种大规模散体结构的重要手段,而其中模拟碰撞的非线性连接单元参数对分析的收敛性和结果的准确性至关重要。本文对高温气冷堆中石墨构件的3种典型碰撞形式进行了实验研究,测量得到了各碰撞模式下碰撞时间和恢复系数与碰撞速度的关系。针对碰撞实验中边界条件与堆内实际构件的差别,采用商业有限元分析软件ABAQUS对不同碰撞形式进行了数值分析,进一步获得了更为准确的碰撞特性,并通过改进的Hertz碰撞模型对实验和数值结果进行分析,得出了非线性碰撞连接单元的等效刚度系数和等效阻尼系数。最后利用数值分析方法进行了与堆内构件设计相关的质量和间隙尺寸对碰撞单元等效刚度系数和等效阻尼系数的详细研究,为高温气冷堆石墨和碳堆内构件的设计提供参考。     

球面螺旋槽轴承特性的数值仿真分析

以球面螺旋槽轴承为研究对象,采用有限体积法对螺旋槽轴承油膜流场进行数值计算方法验证和数值模拟分析。数值结果与近似解析解的相对偏差较小,约为1%～2%,计算方法的准确性得到了保证。研究结果表明,在静态特性方面,轴承在同心稳定运转情况下,油膜对球轴承的轴向承载力随轴承转速和润滑油黏性系数的增加呈线性增加;摩擦功耗随黏性系数和转速平方的增加呈线性增加。动态特性方面,螺旋槽轴承的阻尼系数与转速无关,仅与介质黏性系数有关,且阻尼系数随黏性系数的增加呈线性增加。     

液滴破碎方程的三种数值解法及分析比较

介绍了求解群体平衡模型液滴破碎方程的三种数值方法：固定点法（fixed pivot technique,FPT）,Attarakih 2004法和单元平均法（cell averaged technique,CAT）。针对固定点法在第一区间数密度突变（值过低）的问题作了适当的修正,得到的结果与整体分布曲线及另两种方法的计算值很好地吻合。三种方法得到的常微分方程组均采用定步长的四阶龙格-库塔法求解,由C语言编写计算程序。计算结果表明,固定点法和Attarakih 2004法在区间宽度相同的情况下计算结果几乎完全吻合,单元平均法比上述两种方法有更高的精度和计算效率。     

核反应堆冷却剂丧失事故下喷淋液滴特性研究

在核反应堆发生冷却剂丧失事故（LOCA）时,大量质能释放到安全壳内,通过喷淋能有效降低安全壳内的温度及压力。考虑喷淋液滴下落过程中体积、质量、温度及阻力系数的变化,应用对流传热及传质关联式,计算得到液滴与周围介质的传热、传质特性。计算结果与TOSQAN试验对比符合较好。对不同液滴尺寸、不同环境压力及蒸汽未达到饱和的情况进行了计算,分析了喷淋的影响,结果可为喷淋系统的设计与应用提供一定的理论依据。     

三维空间液滴运动模型数值解法研究

提出了数值求解三维空间液滴运动模型的算子分裂算法（OS算法），并与常用的显式单步长Runge-Kutta（RK）算法进行了比较。简述了三维空间液滴运动模型的具体形式，提出了求解该模型的OS算法，以求解不同直径液滴在波形板汽水分离器内的运动轨迹作为算例，从OS算法的相容性、稳定性、计算精度和计算效率（CPU耗时）等方面，与4级4阶显式单步长RK算法进行了比较。结果表明，OS算法所构造的离散格式与液滴运动模型相容，采用此算法计算得到的液滴运动轨迹与RK算法得到的结果相似，而OS算法的稳定性和计算效率均优于RK算法。因此，OS算法的提出为数值计算波形板的分离效率提供了较为稳定、高效的算法。