液池内气溶胶对孔板鼓泡体积影响的实验研究

液池内的孔板鼓泡是安全壳内气体过滤排放过程中的重要现象。过滤过程中,孔板鼓泡体积直接影响气泡的上升速度与气液接触面积,因此是影响过滤器过滤效率的重要参数之一。随着过滤的进行,液池内滞留的气溶胶可能成为孔板鼓泡体积的影响因素之一。本文采用可视化实验,对含BaSO₄和TiO₂气溶胶液池内的孔板鼓泡过程进行研究,观察和分析孔板鼓泡体积的变化规律,进而获取气溶胶对孔板鼓泡体积的影响机制。研究表明,高温液池和TiO₂会使得生成气泡体积增加,添加BaSO₄的影响并不明显,实验还发现了生成气泡顶部含“小气腔”的情况,表面张力及“小气腔”的变化是气泡体积改变的主要机制。      

UMo/Zr单片式燃料板起泡行为数值模拟

燃料板的鼓泡临界温度是制定研究试验堆安全系数的标准之一，通常由鼓泡退火实验确定。针对鼓泡退火实验，本研究发展了一种对UMo/Zr单片式燃料板宏观起泡行为进行计算模拟的方法，并计算分析了气腔内裂变气体原子数对鼓泡高度的影响，获得了包壳内的Mises应力和等效塑性应变随温度升高而演化的规律。研究发现，气腔周围包壳产生塑性变形是起泡的一个关键原因。此研究为燃料板起泡机理和关键影响因素分析打下了基础。     

气泡相互作用对燃料颗粒应力分布的影响

本工作建立了受气泡内压作用的双气泡UO2模型，利用有限元方法得到燃料颗粒受气泡内压作用、不同气泡间距条件下的燃料颗粒应力分布结果，并讨论了气泡间距、气泡半径和气泡内压对气泡之间相互作用的影响。研究结果表明，受气泡相互作用的影响，燃料颗粒内部产生了应力集中，应力集中倍率与气泡间距和气泡半径的比值（距径比）有关，与气泡内压无关。当距径比等于1时，应力集中倍率约为未考虑气泡相互作用影响时的2倍。当气泡尺寸不同时，应力集中主要发生在靠近小气泡的燃料基体处。     

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。     

热蠕变对UMo/Zr单片式燃料板起泡行为的影响

针对含有气腔的UMo/Zr单片式燃料板，考虑包壳材料的热蠕变效应，将包壳的变形与气腔压力相耦合，发展了一种对燃料板宏观起泡行为进行数值模拟的方法。基于所建立的模拟方法，计算分析了包壳热蠕变和气腔内裂变气体原子数对起泡行为的影响。研究发现，在考虑包壳热蠕变时，若局部开裂区域内的裂变气体原子数为4.0×1017，以鼓泡高度0.1 mm作为起泡阈值的判断标准，所预测出的阈值温度比不考虑热蠕变时低100℃；若局部开裂区内的裂变气体原子数由2.5×1017增加至4.0×1017，则燃料板的起泡阈值温度将可能降低40℃，通过降低包壳材料的热蠕变率可以有效提高燃料板的抗鼓泡能力。      

上升气泡内气溶胶沉降机理研究

气溶胶池洗过滤是反应堆严重事故中去除放射性源项的重要手段。本文以严重事故条件下上升气泡中气溶胶的滞留过程为背景，设计搭建了可视化单气泡鼓泡实验装置。通过该装置研究了气溶胶在上升气泡中的沉降效率，并与MELCOR中的气溶胶沉降模型计算结果进行了对比。结果表明，气溶胶沉降效率对气泡尺寸的变化较为敏感，当气体流量大于0.1 L/min时，气泡等效直径迅速增加，相应的气溶胶沉降效率快速降低；与MELCOR模型计算结果的对比表明，两者在总体趋势上呈现出较好的一致性，但计算结果低估了液相对气溶胶的实际去除能力，导致这种偏差的主要原因是气泡在上升过程中存在无规则的晃动以及气液界面的波动。     

间距对快堆燃料组件迷宫密封结构性能影响的数值模拟

本文采用计算流体动力学（CFD）方法针对直角梯形齿迷宫密封结构进行了三维数值模拟，对比研究间距对密封性能、流场分布、压力场分布、流速控制的影响，并在最佳间距尺寸下分析了偏心度对密封性能的影响。结果显示：扩大迷宫密封结构间距可有效减少漏流量、提高密封性能，并实现较好的流速控制，还可明显改善近壁面处的流动性能，强化对燃料组件外壁面的冷却；当间距超过3.02 mm时，密封性能提高有限，说明间距超过一定限值时，不能继续通过扩大间距提高迷宫密封结构密封性能，需在结构设计与工程应用中选择合理的间距尺寸；偏心现象导致迷宫密封结构流域内流速、压力分布不均匀，且随偏心度的增大不均匀现象有扩大的趋势，不仅对密封性能产生不利影响，还使得燃料组件振动加剧。     

氚累积取样器设计的实验依据

空气中氚的鼓泡法取样广泛应用于空气及核设施气态流出物中HTO的收集和监测。本工作从理论和实验两个方面详细讨论了分别以水和乙二醇为取样介质时鼓泡器对HTO的收集效率与取样空气温度、湿度、流速、累积体积与鼓泡器内吸收液装量的关系,确定了满足现场要求的长周期累积取样鼓泡器的结构与有关参数,为用于核设施气体排出流氚取样专用装置的设计与使用提供了实验依据。     

多孔板流量测量的实验研究

对一种新型的流量测量节流元件—多孔板的流出系数特性、压力损失和抗旋流性能进行了实验研究。与传统的标准孔板比较,多孔板的流出系数更加稳定,对上游旋流不敏感,压力损失比与标准孔板接近。对于当量孔径比(β)为0.42、0.59、0.65的3对孔板,在相同的雷诺数(Re)范围内,多孔板流出系数的变化范围比标准孔板分别低0.83%、2.02%、1.67%;在β较低时(β=0.42),多孔板的抗旋流能力优于标准孔板,而在β较大(β=0.65)时,刚好相反。     

单个浸没孔气泡动力学特性的数值模拟

核电厂发生严重事故时可利用池洗效应去除泄漏的放射性气溶胶。对池洗过程进行两相数值模拟研究是有必要的，在使用两相计算流体力学（CFD）程序计算之前需要确定气泡注入点处的边界条件。基于整合池洗研究（IPRESCA）项目框架和流体体积法（VOF），对单个浸没孔气泡动力学特性进行数值模拟研究，捕捉浸没孔处气泡的大小、形状和脱离频率，并对气泡注入速度对气泡脱离频率的影响进行敏感性分析。利用DBSCAN聚类算法获得了气泡质心高度，并计算得到了不同高度的气泡上升速度。给出了平均空泡份额沿z轴方向的分布，以及平均空泡份额和平均混合速度在不同高度平面沿水平及径向的分布。      

摇摆条件下矩形窄缝通道内汽泡脱离直径模型构建及分析

在静止条件下汽泡脱离直径预测模型的基础上,引入摇摆条件引起的瞬变外力场,构建了摇摆条件下汽泡脱离直径预测模型,通过实验数据进行验证,结果符合较好。通过受力分析发现,摇摆运动引起的浮力波动必须予以考虑。模型计算发现：角位移θ=0°时,汽泡脱离直径最小;而质量流速越大,这种趋势越不明显。如果系统存在5%以上的流量波动,则其对汽泡脱离直径的影响必须加以考虑。     

基于LB方法的管内流动沸腾传热模拟

为研究竖直管内流动沸腾的传热情况及气泡行为学，采用格子玻尔兹曼（LB）方法，利用改进后的伪势模型和热模型分别模拟流动和传热过程。为验证模型的合理性，对模拟结果与经验关系式进行了定量对比。之后对气泡行为对沸腾传热系数的影响进行了研究，结果表明，随着气泡的核化、生长、滑移和脱离，传热系数呈现周期性波动。最后考察了重力加速度对气泡行为和沸腾传热的影响，重力越大，气泡生长周期越短，沸腾传热系数越大。     

窄通道内不凝结气体对过冷沸腾汽泡行为的影响

针对窄通道内不凝结气体对过冷沸腾汽泡行为的影响进行了实验研究,通过高速摄影仪记录了矩形窄通道内含和不含不凝结气体的汽泡行为并进行了分析。分析结果表明：在过冷沸腾条件下不凝结气体对汽泡行为产生了较大的影响,延缓了汽泡的生长和冷凝,使汽泡的直径变化呈震荡特性;从蒸汽的产生和冷凝角度分析,不凝结气体的存在有利于汽泡的生存,促进了汽泡之间的聚合过程,在一定程度上有利于换热。     

Transient thermo-mechanical behavior of a direct-drive target during injection in an inertial fusion energy chamber

During injection in an inertial fusion energy (IFE) chamber, a direct-drive target is subject to heat loads from chamber wall radiation and energy exchange from the chamber gas constituents. These heat loads can lead to the deuterium-tritium (DT) reaching its triple point temperature and even undergoing phase change, leading to unacceptable non-uniformity based on target physics requirements for compression and ignition of the DT fuel pellets using multiple laser beams. A two-dimensional bubble nucleation mode was added to the previously presented thermo-mechanical model to help better define the design margin for direct-drive IFE targets. The new model was validated by comparison with analytical results for controlled cases. It was then used to simulate heating experiments on DT targets conducted at the Los Alamos National Laboratory (LANL), where the ³He present in the DT due to tritium decay was found to affect the nucleation process.The previous requirement for target survival was for the temperature of the DT to remain below triple point of DT (19.79 K). If the existence of a melt layer does not violate the symmetry requirements on the target for successful implosion, the constraint could be relaxed by assuming a limit based on the avoidance of bubble nucleation. This study shows that the thresholds for melting and bubble nucleation are significantly different, allowing for extra margin in target survival under this assumption.     

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明，汽泡在核化点生长时，汽泡底部与加热面存在一小的接触面，总体而言，汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下，不同核化点处汽泡生长规律基本相同，但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小，脱离时间较长，可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内，统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随入口欠热度的增加，汽泡平均脱离直径减小；随主流速度的增加，汽泡平均脱离直径减小。     

单个浸没孔气泡动力学特性的数值模拟

In severe accidents of a nuclear power plant, the released radioactive aerosols can be removed by pool scrubbing effect. Two-phase numerical simulation of the pool scrubbing process is necessary. The boundary conditions at the bubble injection point need to be determined before using the two-phase CFD program. Based on the framework of Integration of Pool scrubbing Research to Enhance Source-term Calculations (IPRESCA) project and the volume of fluid (VOF) method, a numerical simulation of gas injected bubble dynamics from single submerged orifice was carried out. Bubble size, shape, and detachment frequency at the orifice were captured. Sensitivity analysis of the influence of bubble injection speed on bubble detachment frequency was carried out. The bubble centroid height was obtained by DBSCAN clustering algorithm, and the bubble rising velocity at different heights was calculated. The distribution of the mean void fraction along the z-axis direction and the distribution of mean void fraction and mean mixture velocity along the horizontal lines and radius in central plane at different height are given.     

含不凝性气体的蒸汽气泡凝结过程研究

利用高速摄像仪对高过冷度下含不凝性气体的蒸汽气泡冷凝及破裂过程进行可视化研究,以分析不凝性气体对气泡微细化沸腾(MEB)过程的影响。实验结果表明:初始不凝性气体体积份额x0小于2.5%时,气泡突然破碎成大量微小气泡;x0在2.5%~7.5%之间时,较大气泡只会分裂成数个小气泡;x0大于7.5%时,气泡界面非常稳定,不会发生破碎和分裂现象。此外,当蒸汽气泡中含有较多不凝性气体时,气泡凝结过程减弱,液体对气泡的惯性冲击减小,气泡不易破裂。由此可表明,在气泡微细化沸腾发生时,不凝性气体的存在会阻碍加热面上气泡的破碎,从而降低传热能力。     

Behavior of a Single Bubble in Quiescent and Flowing Liquid inside a Cylindrical Tube

The velocity of a single bubble in quiescent and flowing liquid was studied to gain information on the structure of bubble- and slug-flows of gas-liquid two-phase flow.

In the experiments, tap water was used at room temperature and the bubbles were generated by injecting air with a syringe. The bubble velocities were evaluated from photographs taken by multiflash exposure. The tube diameters adopted were 5, 1 and 0.5 cm for the flowing liquid experiments and 1, 0.5 and 0.2 cm for the quiescent liquid experiments. The average liquid velocities varied from about 0 to 2 m/sec.

The results indicated that the velocity of a single bubble in flowing liquid was the sum of the local liquid velocity in the vicinity of the bubble and of the velocity of rise of bubble in quiescent liquid. For Taylor bubbles, the local liquid velocity is given by the maximum liquid velocity near the center of the channel.

The velocities of spherical and ellipsoidal bubbles are determined by the balance of forces acting on them, but that of the Taylor bubble appears to be determined by a different mechanism. A good explanation of such a mechanism is Taylor instability at the gas-liquid interface well removed from the channel wall.