ATHLET程序低压下过冷沸腾模型评价和修正

针对低压下过冷沸腾流动提出一种新模型,该模型考虑了一维热工水力模型程序中对空泡份额影响较大的本构关系,如壁面蒸发模型和漂移流模型。将新模型应用于ATHLET/MOD2.1A版本,新修改的程序与公开发表的一系列低压过冷沸腾实验数据和ATHLET原程序进行对比验证,对比结果显示与实验数据符合很好。     

流动欠热沸腾空泡份额的研究

影响欠热沸腾传热的主要因素是含汽率和系统压力。系统压力直接影响加热面上汽泡的大小,从而影响壁面向液体的传热量。欠热沸腾区任一点的热平衡含汽率可由通道内的热工参数和流动参数求出,然后据此求出通道中某点的空泡份额。文中给出了计算加热通道内流动欠热沸腾区空泡份额的计算关系式,该关系式在给定的参数范围内与实验结果符合较好。     

全长尺寸5×5格架棒束通道两相流动特性研究

采用两相计算流体动力学(CFD)分析的方法,对全长尺寸格架棒束通道内过冷沸腾两相流动进行了数值模拟。将模拟得到的棒束通道中心4个子通道的平均空泡份额与实验值进行对比发现,在高空泡份额区域与实验值符合较好;在低空泡份额区域,计算值略高于实验值。两相CFD方法模拟得到了棒束通道内空泡份额的详细分布,观察到格架上游空泡份额集中在加热棒的周围,但在格架下游,子通道中心的空泡份额增加,加热棒周围的空泡份额减小,间接地证明了格架对临界热流密度(CHF)的提升作用。     

花瓣形燃料元件棒束通道内过冷流动沸腾特性数值研究

花瓣形燃料元件具有换热性能强和无需定位格架等优点，能进一步提高反应堆的功率密度和经济性。为此，本文利用欧拉两流体模型，同时结合RPI壁面沸腾模型，对2×2花瓣形燃料元件棒束通道内过冷流动沸腾特性开展数值研究。通过圆管过冷沸腾实验数据验证了模型的准确性。开展了流速和热流密度参数对花瓣形燃料元件棒束通道内流动、换热及空泡份额分布影响的数值研究。结果表明，通道内冷却剂的流动速度分布不均匀；横向流动沿主流方向存在波动；空泡份额在燃料元件的内凹弧与外凸弧处表现出较大差异；同时，由于流场和换热形式的不同，导致燃料元件的周向壁面温度呈现不均匀分布，横向流动的存在影响着壁面热流分配情况。     

基于非监督机器学习方法的竖直环形流道流动沸腾流型研究

研究流动沸腾两相流动形态对封闭反应堆安全分析程序关键本构模型具有重要意义。本文基于非监督机器学习流型识别方法，提出将两相流物理知识融入数据驱动的机器学习模型，并构建输入特征的挑选原则：(1)机器学习在输入特征中捕捉到的应为流型相关信息；(2)机器学习的聚类准则应包络该流型下输入特征的所有可能性。依据挑选原则分析电导探针信号生成的汽泡分布特征，确定汽泡弦长累积分布函数数据可用于非监督机器学习流型判断。依据流型识别结果，获得了竖直环形流道内流动沸腾的二维局部流型特性，发现高位局部流型出现在流道中心位置并偏向内加热壁面；并判别了流道截面的全局流型，结果表明流动沸腾泡状流至弹状流的流型转变出现在空泡份额约为0.14位置。     

含弯曲棒的全长燃料棒束沸腾传热CFD计算分析

采用计算流体动力学（CFD）分析方法模拟了含一根弯曲燃料棒（简称“弯曲棒”）的5×5全长燃料棒束内的沸腾传热现象。基于欧拉两流体模型和改进的壁面沸腾模型进行计算,并基于压水堆子通道和棒束实验( PSBT )基准题中的试验数据对计算方法进行了验证,计算所得截面平均空泡份额与试验数据吻合良好,说明了现有计算方法的可靠性。基于计算结果考察了弯曲棒对棒束通道内流场、温度场、空泡份额等关键参数的影响。研究结果表明,弯曲棒的存在对截面横向流动、流体温度、空泡份额等均未产生显著影响,但弯曲棒表面温度增加,气泡也易发生聚集,增加了发生临界热流密度（CHF）的风险。      

窄矩形通道内搅混流和环状流相界面参数的计算方法

空泡份额和界面浓度是两相流动中重要的相界面参数,准确获取窄矩形通道内搅混流和环状流工况下空泡份额和界面浓度是构建和完善两流体模型的关键。本文针对横截面为65 mm×2 mm的矩形通道开展了气液两相流动特性可视化实验研究,气相折算速度j_g＝1～9 m/s,液相折算速度j_f＝0.1～1.5 m/s,流型包含搅混流和环状流。提出了基于高速摄像法获取搅混流和环状流下空泡份额和界面浓度的分析计算方法,利用该方法所得空泡份额与窄矩形通道内经验关系式计算值的相对偏差约在10%以内。此计算方法可为研究复杂流型下窄矩形通道内的相界面参数提供理论依据。     

自然循环过冷沸腾截面平均空泡份额实验与计算方法研究

采用RBI高温高压光学探针,对自然循环过冷沸腾截面平均空泡份额进行了实验研究通过实验数据与应用较为普遍的Saha模型、Levy模型以及孙奇提出的真实质量含汽率模型计算值的比较发现．基于强迫循环实验数据的截面平均空泡份额计算模型无法适用于自然循环工况,且经过比较初步判定相同系统参数下高过冷沸腾区自然循环较强迫循环空泡份额偏高,另外,根据模型的比较分析结果对真实质量含汽率模型进行了拓展,使其可适用于自然循环过冷沸腾工况。     

基于OpenFOAM的过冷流动沸腾数值模拟

过冷流动沸腾现象被广泛应用于工业生产和动力系统中，对该现象的准确预测是两相流CFD模拟的重要研究方向。本文详细阐述了该模拟过程中的欧拉两流体模型及相关辅助模型，基于开源CFD平台OpenFOAM，模拟了4.5 MPa下竖直圆管内的过冷流动沸腾，得到了截面空泡份额、液相平均温度及壁面温度沿轴向的分布。计算结果与实验值符合良好，说明了模型的有效性和程序的正确性。本文可为在OpenFOAM中添加新的模型及开发新的求解器以模拟过冷流动沸腾问题提供参考。     

泡核沸腾两相CFD模拟的参数敏感性分析与模型验证

预测偏离泡核沸腾(DNB)型的临界热流密度(CHF)是压水堆热工水力分析的重要内容。基于计算流体力学(CFD)方法预测CHF需要准确预测空泡份额在截面上(尤其是壁面附近)的分布。本文使用商用CFD程序STAR-CCM+对泡核沸腾状态下DEBORA竖直上升流均匀加热圆管实验进行模拟。经过敏感性分析,找出对空泡份额、气体速度、液体温度和气泡直径四个物理量的径向分布以及轴向壁面温度分布有显著影响的模型参数。基于一组实验数据,通过调整关键模型参数重新标定了相间作用模型,并将标定过的计算模型应用到其他工况验证其适用性,得到了较好的结果。本研究为后续将两相CFD计算应用于DNB型CHF的预测打下了基础。     

空泡份额模型在矩形通道沸腾压降计算中的适用性评价

分析了各空泡份额模型随质量流量、系统压力及质量含气率的变化关系,并对各空泡份额计算模型在窄矩形通道内的应用进行了评价。研究结果表明:尽管空泡份额模型选取对重位压降及加速压降计算影响极大,但由于窄矩形通道内的饱和沸腾流动以环状流为主,重位压降及加速压降在两相总压降中的份额极小,因此在两相摩擦压降计算过程中,空泡份额模型的影响非常轻微。采用Zivi模型计算得到的沸腾摩擦压降与其他关系式计算值相对偏差在±5%范围内,因此建议采用Zivi模型计算窄矩形通道内空泡份额。     

垂直环形管中气—液两相流空泡份额的计算与实验研究

本文提出了环形通道中的空泡份额计算模型,并在实验数据基础上从模型得出了在较广参数范围内适用的空泡份额关系式,计算结果与实验数据符合较好;介绍了一种γ射线衰减法及“快速关闭阀门法”对同一环形通道中空泡份额的测量;分析了不同质量流速,不同容积含气率、不同流向时的流动情况及空泡份额值的变化规律。     

低流速过冷沸腾压降实验与计算方法研究

在中压强迫循环工况下开展了低流速过冷沸腾压降实验．实验中同时对过冷沸腾空泡率进行了测量基于得到的实验数据,对低流速过冷沸腾压降计算方法进行了研究．研究表明．过冷沸腾工况下的流动压降与重力压降亦即空泡率密切相关．选用合理的空泡率计算模型对于低流速过冷沸腾压降的准确计算极为重要由于目前普遍采用的Saha模型．Levy模型难以得出准确的低流速过冷沸腾真实含汽率与空泡率预测结果,应用于低流速过冷沸腾压降计算时会产生较大偏差．笔者提出的真实含汽率模型和净蒸汽产生点（NVG）空泡率模型可用于蒸汽-水强迫循环低流速过冷沸腾压降计算通过本文研究、最终得出蒸汽-水强迫循环低流速过冷沸腾压降的推荐计算方法。     

两相自然循环系统压降震荡流动不稳定性起始点研究

对两相自然循环系统的压降震荡流动不稳定起始点进行研究。实验研究发现当实验本体流体出现充分发展的过冷泡核沸腾后,由于汽泡大量产生,以及稳压器上部在可压缩气体的作用下,自然循环回路与稳压器之间出现波动流量,自然循环系统出现压降震荡型流动不稳定。Bowring模型和Saha-Zuber模型预测实验本体出口发生充分发展欠热泡核沸腾的功率值与与自然循环系统的压降震荡流动不稳定起始点功率实验数据的偏差在8%以内。因此,充分发展的过冷泡核沸腾起始点可认为是自然循环系统的压降震荡流动不稳定起始点。     

管内过冷流动沸腾CFD模型参数敏感性研究

采用CFD方法对燃料组件进行过冷流动沸腾数值模拟研究是反应堆热工水力分析的一项重要内容。本研究使用STAR CCM+基于欧拉双流体模型结合壁面沸腾模型对管内过冷流动沸腾进行数值模拟,得到了壁面温度、主流温度及空泡份额的分布。基于实验结果对网格模型、湍流模型、壁面沸腾模型及相间作用力模型的参数设置进行了敏感性分析。研究结果表明,对于欧拉双流体模型,并非网格量越多结果越准确,加热面第1层网格的高度对结果影响显著。湍流模型和曳力模型对计算结果影响较小,非曳力中的湍流耗散力及升力对结果影响较大。Li Quan或Hibiki Ishii汽化核心密度模型与Kocamustafaogullari气泡脱离直径模型组合对壁面温度及空泡份额的计算较准确。本研究可为反应堆燃料组件内过冷流动沸腾数值模拟提供参考依据。     

法国新型主泵在两相流下的试验研究

本文根据法马通的学术交流和法国电力公司（EDF）的试验研究报告整理而成，法国核安全当局要求EDF证明新型N4型核电站主泵在两相流情况下具有不被损坏的能力，因此，在试验回路上进行了三项全尺寸试验，试验回路完全按实际运行工况（温度290℃，压力15.5MPa，流量7m∧3/s，电功率7MW）设计，空泡份额最大值达到75%，试验结果是令人满意的，主泵的机械性能良好，即使是在高空泡份额的情况下也是如此。最大的振动幅值低于制造商规定的限值，同时，确定了主泵的机械性能与试验回路压力波动的关系。     

竖直矩形窄流道内空泡行为对压降的影响特性

对竖直矩形窄流道内的沸腾流动开展可视化实验研究,以探讨空泡行为对压降的影响特性。研究发现:在相同热工参数下,窄流道内的大量汽泡产生(OSV)点会早于常规流道出现。基于实验研究结果建立了计算窄流道内真实干度和空泡份额的关系式。窄流道内的空泡行为对压降有着重要的影响,且汽团形成会很容易造成窄流道的阻塞;然而,流道出口空泡份额的增加并不会导致总压降的单调性增加。     

高压条件下燃料组件内过冷沸腾过程传热不均匀性研究

基于流体动力学软件Fluent中的流体体积函数（VOF）两相流模型，通过编写用户自定义函数（UDF）程序添加控制方程源项，建立过冷沸腾模型，对压水堆带定位格架的5×5燃料组件棒束通道内的过冷沸腾现象进行数值模拟。根据模拟结果，从空泡份额、燃料棒周向传热方面对比分析各个子通道内传热特性。研究发现各子通道内空泡份额的分布不均匀性较大，同样加热条件下，边通道的沸腾程度高于角通道。此外，对棒束周向的传热特性进行了分析，燃料棒周向努塞尔数呈不均匀性分布，燃料棒0°、90°、180°、270°等方向附近的传热能力较强，其相应的横向速度较大，对应的沸腾程度较强。      

竖直圆管内泡状流空泡份额径向分布实验研究

常温常压下,采用光学探针测量方法,对圆管（内径50 mm）内空气 水两相竖直向上泡状流空泡份额的径向分布特性进行了实验研究。结果表明,竖直圆管内泡状流空泡份额的径向分布随气液两相表观流速不同而变化。液相流速较高时空泡份额分布呈“壁峰型”,即中心区域变化平缓,近壁区出现峰值后迅速降低;液相静止时,随气相流速增加,空泡份额增加速度沿径向向外逐渐减小,气相流速较大时分布呈“核峰型”,即空泡份额随径向位置向外呈减小趋势;液相流速较低时分布呈现出过渡型。探针测量面积加权平均空泡份额与通过重位压降得到的空泡份额的相对偏差小于10%。     

圆管内偏离泡核沸腾机理模型的比较分析

分析比较了基于壁面汽泡壅塞模型和汽泡下液膜烧干两种机理的圆管内偏离泡核沸腾机理的5个模型，并与偏离泡核沸腾（DNB）实验数据进行了比较分析，得出了各种模型的优缺点。