倾斜圆管内泡状流空泡份额特性实验研究

采用光纤探针测量方法对倾斜圆管(内径为50 mm)内空气-水两相泡状流空泡份额分布特性进行实验研究。结果表明,截面平均空泡份额随倾斜角度的增加而减小,倾斜角度大于5°时减小速率明显减慢;竖直条件下空泡份额径向分布呈"马鞍形",即空泡份额除在近壁区出现峰值然后迅速降低到最小值外,在其他区域几乎不随位置发生变化;倾斜条件下气泡明显向上壁面聚集,中心线上方近壁区空泡份额峰值增加,中心线下方近壁区空泡份额峰值被削弱,倾斜角度较大时甚至消失。     

倾斜管内上升泡状流界面参数分布特性实验研究

采用双头光纤探针对倾斜圆管内空气-水两相泡状流界面参数分布特性进行了实验研究,包括局部空泡份额、气泡通过频率、界面面积浓度及气泡当量直径径向分布特性。实验段内径为50 mm,液相表观速度为0.144 m/s,气相表观速度为0~0.054 m/s。结果表明倾斜管内向上泡状流气泡明显向上壁面聚集。局部界面浓度、空泡份额及气泡通过频率径向分布相似。倾斜条件下局部界面参数分布下壁面附近峰值相对于竖直状态被削弱甚至消失,上壁面附近峰值被加强,中间区域从下壁面往上逐渐增大,且随倾斜角度的增加变化更加剧烈。气泡等价直径随径向位置、气相速度及倾斜角度的不同无明显变化,气泡聚合和破碎现象较少发生。通过气泡受力分析解释了倾斜对泡状流局部界面参数分布的影响机理。     

文丘里式气泡发生器工作特性分析

气泡发生器是钍基熔盐堆脱气系统的关键部件,其功用为将载气碎化成尺寸均匀的小气泡。本文在脱气系统水实验回路实验研究基础上,采用数值模拟方法,应用SIMPLEC算法对标准的k-ε湍流模型和多相流混合模型进行耦合求解,分析了沿气泡发生器流动方向的气液两相流场速度变化、压力变化、湍动能分布规律。沿流向的速度分布表明,气相从喉部开始沿壁面流动,包围位于中心区域的水相,气相速度在扩张段入口处明显降低,速度梯度的变化形成剪切,使得气相破碎、分裂;压力分布表明,在气泡发生器的扩张段入口附近出现了压力梯度的峰值,与实验中测得的气泡集中碎化的位置相近,说明压力的迅速回升可能加速了气泡的碎化;湍动能分布表明,扩张段出口湍动能相对较大,说明此处气液两相能量交换强烈,产生强烈的剪切应力,使气液两相彼此剪切、破碎。以上结果说明,扩张端入口处由于较大的速度梯度及湍动能峰值,导致产生巨大的剪切应力,使气泡出现集中破裂现象。     

应用CFD方法研究雷诺数对烟囱气体混合均匀性影响北大核心CSCD

为研究各种流态下核设施烟囱内气体混合均匀性情况,应用计算流体力学(CFD)方法,建立了仿真模型,主烟囱内雷诺数范围800~70000。仿真结果表明:雷诺数变化对于主烟道风速分布有重要影响;8倍水力直径以下,随监测截面升高,风速分布将更为均匀,8倍水力直径以上,一定程度内增强湍流,可提高风速分布均匀性,流态处于完全湍流后,继续提高雷诺数对风速的分布均匀性无益;对于示踪气体,各监测截面均达到了较充分的混合,管道内雷诺数低于29000时,其在各截面上的混合均匀性伴随雷诺数升高有细微的降低,雷诺数超过29000后混合均匀性变化不再显著。对比仿真结果与试验结果,风速及示踪气体浓度仿真结果与试验测量值具有较好的一致性。     

竖直窄矩形通道内弹状流液弹中分区特性研究

弹状流的液弹部分受气弹尾部影响,其水力特性参数沿流动方向存在分区的不一致性。本文对竖直窄矩形通道中弹状流液弹内参数的分布特性进行了研究。结果表明：液弹内气泡在近壁面附近所受径向力较为平衡,气泡频率较大;随着远离气弹尾部,管道中间气泡频率逐渐增大。根据气泡频率波动变化将液弹分为3个区域,尾流区占液弹长度的40%～45%,过渡区占10%～15%,主流区占40%～50%。尾流区和主流区内,空泡份额呈“三峰型”分布;随着气相流速的增加,尾流区内近壁面处峰值逐渐增大,管道中间峰值逐渐下降,但主流区内情况相反。气泡直径随气相流速的增大而变大,且液弹内气泡聚合和破碎现象较少。     

数值模拟激光辅助凝聚抑制同位素分离中喷嘴构型对超声速射流的影响

激光辅助凝聚抑制同位素分离(CRISLA)方法需要激光选择性激发超声速射流中的同位素分子，装置内的流场会对分离效果产生影响。CRISLA中超声速射流主要受喷嘴构型的影响，本研究利用计算流体力学(CFD)方法研究喷嘴构型参数(喉部直径、扩张段长度、扩张角度)对CRISLA流动的影响。结果表明，喉部直径是影响射流低温区温度的主要因素，喷嘴扩张段长度对喉部直径3～5 mm喷嘴射流低温区温度影响不明显，而对喉部直径<3 mm的喷嘴射流低温区温度影响较大；喉部直径在3～5 mm时，扩张段长度及扩张角度对射流低温区位置影响小，低温区都位于喷嘴外，喉部直径<2 mm时，扩张段长度与扩张角度对射流低温区位置有显著影响，需要优化二者关系才能在喷嘴外获得较理想射流。在保障低温区位于喷嘴外的前提下，适当增大扩张段角度有利于射流径向扩散。研究的几种喷嘴构型能形成较理想射流，可为未来实验研究提供参考。     

振动幅度对两相流局部参数变化影响研究

为研究实验段振动对管内两相流局部参数变化的影响,利用电导探针技术对振动状态下局部两相流特性参数包括空泡份额、气泡直径和界面浓度进行了测量。实验首先在静态工况下进行,通过固定在实验段上方的偏心轮转动获得振动工况。实验段振动周期保持在0.5 s,偏心轮提供的振动幅度分别为4.8 mm、9.5mm和15.8 mm。实验结果表明,振动对环管内气-水两相流局部时均参数分布影响很小。但振动引起的附加惯性力作用使两相流局部参数径向分布在实验段振动周期中发生明显变化,而且局部参数的变化幅度随实验段振幅的增加而显著增大。在含气率较低的流动工况,当振幅增大到15.9 mm时振动工况下径向空泡份额峰值较静态工况下的空泡份额峰值的增量可以达到70%。但振动对局部流动参数的影响随气流量增大而降低。     

环形截面螺旋通道内层流换热热力性能数值模拟

在恒壁温工况下,对旋转720°环形截面螺旋通道内三维层流换热的热力性能进行数值模拟.研究雷诺数为200～1000、无量纲螺距为0.1～0.2、曲率范围为0.1～0.3、在内环加热外环绝热情况下螺旋通道内不同截面上的温度场分布和速度场分布以及雷诺数、曲率和无量纲螺距对轴向不同截面上平均努谢尔特数和平均摩擦系数的影响.研究结果表明:在人口阶段,二次流作用可以忽略,随着转角增大,二次流作用加强,且垂直于轴向截面的最大速度向通道的外侧移动;轴向截面平均努谢尔特数和轴向截面平均摩擦系数随着雷诺数、曲率和螺距的变化呈现不同的规律,并且和曲率相比,螺距对传热和流动性能的影响程度相对较小.     

水平管泡状流液相速度分布与相分布

用热膜探针测量了内径为 3 5mm的水平管泡状流中的液流速度 ,同时用双头电导探针测量了有关的相界面参数 ,结果表明 ,局部液流平均速度在靠管道下部的分布与单相液流的分布类似 ,在靠管道上部突然减小 ;局部液流平均速度在靠管道下部随气流折算速度的增加而增加 ,在靠管道上部则随气流折算速度的增加而减小 ;局部含气率和气泡频率随气流折算速度的增加而增大 ,在靠近管道上壁处有一峰值 ,其分布规律随液流速度的增加而趋向均匀     

基于CFD分析的文丘里流量计设计优化

质量流量是核电站热功率核算的关键参数之一,核电站一般采用文丘里流量计和孔板流量计同时测量,然而在低流量区文丘里流量计呈现出明显波动,其参数不稳定严重影响核电站的正常运行。本文基于理论分析结合数值分析,发现脉动流动是导致文丘里流量计测量波动的主要原因。基于分析结果,对文丘里流量计提出了优化设计方案,通过在文丘里管上游集成流量调整装置,从而减小脉动流,有效提升文丘里流量计的稳定性。此外,开展了集成不同类型流量调整装置的文丘里流量计压损特性数值研究,结果表明K-Lab型流量调整装置阻力较小。本文提出的方案可有效提升文丘里流量计测量精度。     

摇摆条件对湍流流动特性的影响

利用Fluent软件对摇摆条件下矩形管内的湍流流体进行理论分析,分析了多种湍流模型和多个参数对流动特性的影响。在摇摆条件下,矩形管中心区域速度分布趋于均匀化,但壁面附近的速度梯度增大,从而使摩擦阻力系数增加。壁面会对摇摆条件对湍流流体的影响产生抑制作用。在纵摇条件下,小长宽比矩形管内速度等高线成哑铃状分布。对于本文的计算流体,摇摆条件下的湍流摩擦阻力系数与Re的0.47次方成反比。     

Developed single phase turbulent flow through a square-pitch rod cluster

An experimental study of developed single phase turbulent flow through a square pitched array of rod bundles is described. Measurements were made at two spacings (p/d = 1.194, 1.107) of the mean velocity distribution and wall shear stress variation, together with the six terms of the symmetrical Reynolds stress tensor. The departure of the turbulent flow structure from axisymmetric pipe flow, particularly in the rod gap region, was found to depend strongly on the (p/d) ratio.     

管道倾斜角度对超临界CO2管内换热特性的影响

在恒热流加热工况下,对超临界CO₂在不同倾角的微细圆管内混合对流换热进行了数值模拟。采用FLUENT软件分析了不同倾角时管内截面温度、轴向速度、二次流、上母线传热系数、周向壁面温度和Nu_w的变化规律,并引入相对二次流动能定量表示二次流强度。研究发现：倾斜管内顶部流体温度高于底部,周向Nu_w在底部高于顶部,速度分布不是中心对称且其峰值出现在管中心轴线下侧;浮升力引发的二次流先增大后减小,且在靠近入口处达到峰值;倾斜管内上母线温度高于下母线,上母线传热系数在拟临界温度附近达到峰值。通过水平管中浮升力判据,得到了浮升力对对流换热的影响规律。     

蒸汽发生器换热管流量分配及其对核主泵入口流场的影响

为研究蒸汽发生器（SG）换热管流量分配及其对反应堆冷却剂泵（RCP）入口流场的影响，进行了蒸汽发生器的缩尺模型冷态实验，并以实验获得的数据为SG下封头的入流条件，对SG下封头进行数值建模，并采用计算流体力学（CFD）方法对其进行了三维流场计算。结果表明:SG换热管存在较严重的流量分配不均，SG入口管会对其所正对部分的换热管的流量分配产生较大影响，使该部分流量增大，即形成高速区，而高速区周围会形成相对的低速区甚至回流区；在小流量时，换热管的沿程损失将对换热管的流量分配起主导作用；SG换热管内的不均匀流量分配会使SG出口管处的轴向速度更加紊乱，即在核主泵入口产生更加严重的入流畸变。      

Upward air–water bubbly flow characteristics in a vertical square duct

In nuclear engineering fields, gas–liquid bubbly flows exist in channels with various shape and size cross-sections. Although many experiments have been carried out especially in circular pipes, those in a noncircular duct are very limited. To contribute to the development of gas–liquid bubbly flow model for a noncircular duct, detail measurements for the air–water bubbly flow in a square duct (side length: 0.136 m) were carried out by an X-type hot-film anemometry and a multi-sensor optical probe. Local flow parameters of the void fraction, bubble diameter, bubble frequency, axial liquid velocity and turbulent kinetic energy were measured in 11 two-phase flow conditions. These flow conditions covered bubbly flow with the area-averaged void fraction ranging from 0.069 to 0.172. A pronounced corner peak of the void fraction was observed in a quarter square area of a measuring cross-section. Due to a high bubble concentration in the corner, the maximum values of both axial liquid velocity and turbulent kinetic energy intensity were located in the corner region. It was pointed out that an effect of the corner on accumulating bubble in the corner region changed the distributions of axial liquid velocity and turbulent kinetic energy intensity significantly.     

高宽比对矩形窄通道内单相水流动特性的影响机理

通过理论和实验研究了矩形窄通道内单相水的流动特性。结果表明：矩形通道截面高宽比对其流动阻力有重要影响,层流区和紊流光滑管区摩擦阻力均随高宽比的减小而增大。可视化结果表明：矩形窄通道临界Re为2 500~2 600,高宽比对窄通道内流态转捩无明显影响。层流区高宽比通过改变截面湿周及速度分布两方面影响摩阻特性;紊流区高宽比通过改变黏性底层紊流时均速度分布及截面湿周两方面影响摩阻特性。     

基于FLUENT的核电用文丘里管稳流性能研究

采用Realizable k-?湍流模型和Zwart空化模型对某核电用空化型文丘里管的空化流动进行了数值模拟。模拟在特定工况条件下文丘里管内流动情况，得到流量变化曲线，预测空化区域，分析稳流原理和规律。模拟不同喉部直径文丘里管稳流性能，探究喉部直径变化对空化的影响。研究结果表明:随着入口压力的增大，文丘里管将发生空化塞流。将流量变化控制在一定范围内，达到相对稳流的作用。稳流时，管路压力每升高0.1 MPa，流量增加0.06 m3·h-1；喉部直径的尺寸直接影响水力空化初生与流量增幅；在一定范围内，文丘里管喉部直径大，空化流动发展迅速且流量增幅大，喉部直径小，管路流量增长幅值小。      

几何参数对含空气蒸汽冷凝影响的数值分析

含空气蒸汽冷凝是反应堆失水事故时安全壳内重要的热工水力现象。已有研究多关注气体压力、温度等热工参数对传热特性的影响,而对几何参数的影响及其作用原理分析较少。采用三维CFD数值模拟方法,基于扩散边界层冷凝机理模型研究了管径(4~60 mm)、管长(0.1~7 m)及倾角(0°~90°)对含空气蒸汽冷凝传热特性的影响。结果表明,管径、管长及倾角均对含空气蒸汽冷凝传热特性有显著影响。平均冷凝传热系数随管径的增大而减小;随管长的增长先减小后增大,3 m左右达到最小值;随倾角的增大而增大。局部冷凝传热系数沿管长方向先迅速减小后缓慢增大。倾斜布置时,迎流面产生明显传热强化,向两侧逐渐减弱,背流面存在一定的传热抑制。     

Experimental investigation of turbulent transport of momentum and energy in a heated rod bundle

Turbulent air flow in a central channel of heated 37-rod bundles with triangular array at two different pitch-to-diameter ratios (P/D=1.12 and P/D=1.06) was investigated. Measurements were performed with a hot-wire probe with x-wires and an additional temperature wire. Time mean velocities, time mean fluid temperatures, wall shear stresses and wall temperatures, turbulent quantities such as the turbulent kinetic energy, all Reynolds stresses and all turbulent heat fluxes were measured at two different pitch-to-diameter ratios in a central channel of the bundle. It is shown that with decreasing gap width the turbulence field in rod bundles deviates significantly from that in a circular tube. Also, data on the power spectral density functions of the velocity and temperature fluctuations are presented. These data show the existence of large-scale periodic fluctuations of velocity and temperature in the gap region of two adjacent rods. These fluctuations are responsible for the high intersubchannel heat and momentum exchange. Spectral measurements with two hot wire probes imply a distinct similarity of motion of vortices in adjacent subchannels of the bundle.