螺旋管直流蒸汽发生器一、二次侧耦合传热特性分析

为获得螺旋管直流蒸汽发生器（HCOTSG）螺旋换热管内两相流动换热特征，以国际革新安全反应堆（IRIS）HCOTSG为研究对象建立了HCOTSG一、二次侧耦合热分析模型，分析了稳态工况下，不同二次侧给水流量对HCOTSG热工水力参数产生的影响，并将所建立的HCOTSG一、二次侧耦合热分析模型与计算流体力学软件（CFX）三维流动换热计算相结合，对HCOTSG稳态工况下螺旋管内精细的热工水力参数进行计算。通过HCOTSG一、二次侧耦合热分析模型计算得到HCOTSG稳态工作时沿管程的相关热工水力参数；通过CFX三维模拟发现螺旋管横截面流体流速和温度分布不均匀现象，得到螺旋内侧流体温度高于螺旋外侧，螺旋内侧流体速度低于螺旋外侧，螺旋内侧流体比螺旋外侧流体先开始沸腾的结论。因此，本研究对于HCOTSG稳态运行和螺旋换热管事故分析具有指导作用。      

气体离心机供料射流的DSMC模拟

为研究气体离心机中供料射流对环流的影响,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对径向射流的流动结构进行模拟。通过选择适当的边界条件和分子碰撞模型,得到了不同供料条件下的二维径向供料射流的流动分布图像,捕捉到了供料射流的波系结构,获得了流动参数分布。对计算结果分析可知：在靠近径向外边界处,流动参数存在明显的峰;供料气体速度越高,对离心机内部流场影响越大;除速度、密度、压强等流动参数外,供料射流对温度分布也有较大影响,出流边界处的温度可升至平均温度的两倍左右,对离心机分离性能有较大影响。     

管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热特性的数值模拟

以唐琦琳的管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热试验台为原型,进行基于CFX的管束外垂直上升汽液两相流沸腾传热特性数值模拟,得出了不同入口温度、热流密度、质量流速下管束外狭窄通道的热工水力特性。沿管束高度流体温度的模拟结果与实验结果的最大相对偏差为3.5%,从而证明了数值计算的有效性和正确性。在此基础上,探讨了汽液两相流速度分布、沸腾压降与含汽率及其影响因素。     

蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区两相流动数值模拟

基于两流体欧拉数学模型结合RPI壁面沸腾模型,利用大型商用CFD软件ANSYS CFX 12.0对蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区一次侧、壁面和二次侧耦合传热过程进行了数值模拟。研究了三叶梅花孔支撑板和不同入口过冷度条件下蒸汽发生器传热管束内的流动沸腾现象,得到一、二次侧流场与温度场,二次侧空泡份额分布,支撑板梅花孔局部的流动状况及不同入口过冷度对蒸汽发生器热工水力特性的影响。数值模拟结果表明,三叶梅花孔支撑板的存在及不同入口过冷度对蒸汽发生器传热管束过冷沸腾区域的热工水力特性影响显著。     

沸腾传热数值模拟方法及多管耦合应用特性研究

针对直流蒸汽发生器（OTSG）中全流型沸腾传热及一、二次侧耦合换热等复杂物理现象,计算流体动力学（CFD）数值分析普遍面临计算难度大、计算效率低及不确定性大等问题。基于欧拉两流体多相流模型与临界热流密度（CHF）壁面沸腾模型,建立了管内全流型流动沸腾传热数值分析模型,并验证了模型的有效性。基于所验证的模型,开展了数值模型在多管耦合传热下的应用特性研究,明确了该数值模拟方法在多管耦合下的可靠性,并对温度与相分布计算结果对相间作用力模型的敏感性进行了数值分析。研究结果表明：基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型,能够较准确地预测管内水介质由过冷到过热的全流型流动沸腾传热过程,计算的“干涸”点位置及壁面峰值温度与实验值符合较好,最大误差小于10%;基于欧拉两流体多相流模型与CHF壁面沸腾模型的数值方法对多管耦合工况有较好的适用性,计算的二次侧温度与实验结果吻合良好;两相间曳力对壁面温度及空泡份额的计算结果有较明显的影响,但非曳力对壁面温度的影响较小,因此对于大规模工程应用计算,可在分析中不考虑部分相间非曳力的影响。本文研究结果可为OSTG的三维精细化数值分析的模型选择提供有益参考。     

基于两流体模型的流动沸腾瞬态数值模拟程序

基于两流体模型与固壁非稳态导热模型,结合相关关联式组合,建立了流道内流动沸腾传热的瞬态数值模拟程序。通过不同入口瞬态下流道两相流动沸腾过程的算例计算分析,确认了程序进行流动沸腾瞬态模拟的能力。通过对不同固壁加热条件下流动沸腾行为的算例计算,检验了该程序进行流壁耦合行为模拟的功能。程序可进一步向系统分析程序和子通道程序发展。     

基于抽样的不确定性及敏感性分析的方法在核电厂水膜蒸发试验误差分析中的应用

与传统的误差分析方法相比,基于抽样的不确定性及敏感性分析具有较大的优势。本工作通过耦合DAKOTA程序和水膜蒸发试验数据分析程序,开发了水膜热态试验误差分析方法,计算得到了试验目标参数水膜蒸发换热乘子的不确定性范围,并且分析了试验测量参数的不确定性对蒸发换热乘子不确定性的影响。计算结果表明,水膜入口流量、入口风速以及平板表面温度是主要的不确定性来源。这为优化试验测量系统,减小试验误差提供了定量支持。该方法可以用于其他试验误差分析以及参数重要性分析。     

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。     

PWR堆中非均匀余弦加热的传热研究

在非均匀余弦加热、低压(≤4×10~5Pa)和中速(≤2.6m/s)向上流工质水中,通过试验和数值计算垂直圆管内外壁温度场来确定过冷沸腾空泡起始点。研究结果表明:空泡起始点首先出现在余弦曲线中心,并随着加热功率的增加和流量的减少向入口推进。在一个中压水路上,用一个电磁阀模拟PWR的LOCA工况,实验测得CHF出现的时间t_(CHF)和事故下压力、流量、流体温度以及内外壁温度的变化参数,并对这些参数进行了分析研究。     

低压稳定流动闪蒸过程空泡份额分布特性分析

以低压自然循环系统内产生的闪蒸现象为研究对象,对闪蒸驱动的稳定两相自然循环流动阶段的空泡份额变化规律进行分析,通过分析发现上升段入口流体温度及水箱液位高度都会对流动闪蒸汽化过程的规律产生影响,使得空泡份额径向和轴向分布不一样。通过分析,得出影响汽化过程的主要因素是流体过热度,可知减小上升段入口流体过热度,闪蒸起始点会下移,闪蒸两相段变长;随着闪蒸汽化的不断进行,流体过热度逐渐减小,轴向空泡份额先迅速增加而后逐渐变缓,径向空泡份额分布由“壁峰”型衍变成“核峰”型。然后,然后基于流体当地过热度变化,拟合给出了不同工况下轴向空泡份额计算关系式,与实验数据对比符合较好,相对误差在±15%以内。      

Uncertainty Analysis on Boundary Condition in Subcooled Boiling Flow by Deterministic Sampling

In this work, the DEBORA subcooled boiling flow experiments were employed as benchmark and simulated by Fluent. The uncertainty from boundary conditions and its influence trend of the prediction of subcooled boiling flow were analyzed by using deterministic sampling method. The distributions of radial parameters were calculated and the confidence intervals were obtained. Besides, the uncertainty source contributions on radial parameters were also analyzed. The results show that the uncertainties of the inlet temperature and the wall heat flux play predominant roles on the prediction of radial void fraction, while the uncertainties of the operating pressure and the inlet temperature dominate calculation of radial liquid temperature.     

基于气泡动力学的过冷流动沸腾边界层模型研究

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。过冷流动沸腾起始于ONB点,结束于Tsat点,中间被OSV点划分为高过冷流动沸腾段和低过冷流动沸腾段,不同阶段流场情况以及气泡行为存在较大区别。目前关于过冷流动沸腾过程的研究主要基于宏观实验、理论研究和数值模拟,随着气泡动力学的发展,从微观层面揭示沸腾机理变得可行。本文基于气泡动力学和气泡边界层模型,提出了一套预测过冷流动沸腾的理论模型,采用分相模型,将流场在径向上划分为多个区域,通过1组准二维控制方程,将各区域内的气泡行为,区域间的质量、动量和能量交换以及两相参数沿轴向的变化情况考虑在内,利用获得的边界层流场信息,可确定ONB点和OSV点。模型与空泡份额和流体温度的实验结果符合良好,并成功应用于核反应堆燃料元件通道的过冷流动沸腾计算。     

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。     

摇摆对过冷沸腾相分布特性的影响机理分析

采用双探头光学探针测量了摇摆条件下圆管内过冷沸腾局部空泡份额、界面面积浓度及汽泡尺寸等局部相界面参数径向分布特性，根据实验及计算结果，从汽液相界面作用力角度对摇摆运动条件下过冷沸腾相分布机理进行了分析。结果表明：摇摆条件下，浮力径向分量、升力、湍流分散力和壁面润滑力量级约为10³ N/m³，附加惯性力与其余诸力相比小2～3个量级。因此摇摆条件下过冷沸腾相分布特性主要取决于周期性波动的升力、湍流分散力、壁面润滑力及浮力径向分量之间的平衡关系。     

压水堆燃料棒束通道内过冷沸腾分析

使用Fluent14.5两流体模型中的RPI(Rensselaer Polytechnic Institute)壁面沸腾模型,对堆芯燃料棒束通道内过冷沸腾现象进行数值模拟,得到了通道内的流场、温度场以及空泡份额的分布,分析了定位格架和搅混翼的存在对热工水力特性的影响。数值结果表明,格架的存在会造成很大的压降,而搅混翼会对流场、温度场和空泡份额分布产生显著影响;RPI壁面沸腾模型的模拟结果与Bartolemei试验数据符合很好。     

低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性

为探究低压低流速条件下的过冷沸腾换热特性，开展本实验研究。通过分析实验中采集的热工参数和可视化图像，探究了沸腾滞后现象、沸腾失稳现象以及沸腾换热特性。实验发现沸腾起始点壁面过热度较高，而沸腾的发生大幅提高了换热系数，因此出现了显著的沸腾滞后现象。实验中较为光滑的加热面可达到较高的过热度，而低压下快速产生的气泡尺寸较大，在较低的热流密度下气液界面发生剧烈变化，使气泡破裂为多个小气泡并成为核化点。在过冷沸腾换热系数的预测中，Dittus-Boelter对流换热关系式不再适用，采用Hallman关系式和Gnielinski关系式计算对流换热系数，并引入壁面过热度对池式沸腾换热系数进行修正，可使过冷沸腾换热系数的预测精度大幅提高。     

Analysis of subcooled boiling flow with one-group interfacial area transport equation and bubble lift-off model

To enhance the multi-dimensional analysis capability for a subcooled boiling two-phase flow, the one-group interfacial area transport equation was improved with a source term for the bubble lift-off. It included the bubble lift-off diameter model and the lift-off frequency reduction factor model. The bubble lift-off diameter model took into account the bubble's sliding on a heated wall after its departure from a nucleate site, and the lift-off frequency reduction factor was derived by considering the coalescences of the sliding bubbles. To implement the model, EAGLE (elaborated analysis of gas-liquid evolution) code was developed for a multi-dimensional analysis of two-phase flow. The developed model and EAGLE code were validated with the experimental data of SUBO (subcooled boiling) and SNU (Seoul National University) test, where the subcooled boiling phenomena in a vertical annulus channel were observed. Locally measured two-phase flow parameters included a void fraction, interfacial area concentration, and bubble velocity. The results of the computational analysis revealed that the interfacial area transport equation with the bubble lift-off model showed a good agreement with the experimental results of SUBO and SNU. It demonstrates that the source term for the wall nucleation by considering a bubble sliding and lift-off mechanism enhanced the prediction capability for the multi-dimensional behavior of void fraction or interfacial area concentration in the subcooled boiling flow. From the point of view of the bubble velocity, the modeling of an increased turbulence induced by boiling bubbles at the heated wall enhanced the prediction capability of the code.     

基于流固共轭传热的两相流动数值模拟及燃料子通道CHF预测研究

为对过冷沸腾两相流动进行准确模拟，并探索临界热流密度（CHF）预测方法，本文基于共轭传热和两相CFD分析的方法，通过流固界面耦合，建立流固共轭传热两相流动耦合求解的数值模型。首先通过典型燃料棒栅元过冷沸腾两相流动的模拟，验证数值模型的正确性。随后对燃料子通道内两相流动进行模拟，并在两相流动模拟的基础上，通过准瞬态的方法，建立与CHF试验过程非常近似的CHF预测方法，将加热壁面的温度飞升作为CHF判定的标准，实现对燃料组件子通道CHF的数值预测。研究表明，本文建立的数值模拟方法，可为燃料组件或其他换热系统的CHF预测奠定基础，为燃料组件的设计提供新的辅助手段。     

A unified model considering force balances for departing vapour bubbles and population balance in subcooled boiling flow

Population balance equations combined with a three-dimensional two-fluid model are employed to predict subcooled boiling flow at low pressure in a vertical annular channel. The MUltiple-SIze-Group (MUSIG) model implemented in CFX4.4 is extended to account for the wall nucleation and condensation in the subcooled boiling regime. A model considering the forces acting on departing bubbles at the heated surface is formulated. This model provides the capacity of complex analyses on the bubble growth and departure for a wide range of wall heat fluxes and flow conditions.Comparison of model predictions against local measurements is made for the void fraction, bubble Sauter mean diameter and gas and liquid velocities covering a range of different mass and heat fluxes and inlet subcoolings. Good agreement is achieved with the local radial void fraction, bubble Sauter mean diameter and liquid velocity profiles against measurements. However, significant weakness of the model is evidenced in the prediction of the vapour velocity. Work is in progress to circumvent the deficiency of the MUSIG boiling model by the consideration of additional momentum equations to better represent the momentum forces acting on the range of bubble sizes in the bulk subcooled liquid.