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。     

附加惯性力对气泡破裂的影响

从气泡破裂的力平衡机理出发,采用流体体积函数( VOF)模型研究竖直窄流道中单个气泡受到附加惯性力作用后变形破裂的情况.通过定义气泡破裂点处的速度和观察气泡破裂时的颈部最短距离来描述表面张力、附加惯性力大小及初始形状对气泡破裂的影响.结果表明:表面张力、附加惯性力和初始形状对气泡的破裂有很大影响,它们直接影响流体对气泡的射流作用,最终可能导致气泡破裂.     

液态金属内单个气泡上升行为的MPS法数值模拟

液态金属冷却核反应堆采用气泡泵的概念设计来提升堆芯自然循环能力。液态金属内气液两相流动特征将直接影响核反应系统一回路的自然循环能力及堆芯安全。本研究通过采用移动粒子半隐式（MPS）方法,对液态金属中单个上升气泡的气泡动力学行为进行数值模拟。分析了铅铋合金中3种初始直径不同的单个氮气泡在上升过程中的气泡形状和速度的变化趋势;对比了初始直径相同的单个氮气泡在液钾、液钠、铅铋合金、钾钠合金和锂铅合金5种液态金属中的上升行为;同时将模拟得到的气泡形状与Grace经验关系图进行了对比,验证了MPS方法数值模拟结果的正确性。     

过冷水中单个蒸汽气泡凝结动力学过程研究

对高过冷度条件下单个蒸汽气泡的凝结过程进行了可视化研究,并与现有的计算模型进行了对比。实验结果表明：高过冷度条件下,运动速度较高的气泡脱离后,其底部产生的液体射流现象会加剧气泡的变形和凝结过程;而现有的计算关联式均无法较好地预测该条件下的气泡动力学行为,凝结末期的相对误差超过50%。此外,通过Sobol方法对气泡凝结模型进行了敏感性分析,并定量评估了不同实验范围内Reynolds数、Jacob数以及Prandtl数对气泡凝结的影响程度。     

单个气泡上升行为的可视化实验研究

采用高速摄相机和粒子图像测速技术(PIV技术)对静水中单个气泡的上升行为进行了观测探究。通过分析实验数据发现了气泡的形状变化与其上升速度间的关系:气泡形状越扁平,上升速度越快。此外,随着生成气泡的针头内径变大,生成气泡的尺寸也会随之增大,但其平均上升速度会随针头内径的增大而先减小后增大。通过对比分析不同工况下的实验数据发现:气泡在半径为2.2～2.3mm之间时,具有最小上升速度,约为0.22m/s。通过对气泡上升速度函数进行傅里叶分析发现了气泡上升速度的波动周期与气泡大小之间的关系:气泡越大,速度波动频率越大,波动周期越小。通过PIV技术对静水中上升气泡周围的流场进行逐帧分析,发现气泡周围周期性的出现环状流场,并总结得出了气泡上升方向与流场变化间的联系。     

基于扩散界面法的较大气泡上升过程数值模拟

基于扩散界面法和有限元法,对较大气泡在上升阶段的形态和速度进行了模拟,结果与实验吻合较好,说明该方法能准确地模拟气泡的运动特性。利用该模型,对初始直径不同的较大气泡上升过程中的形态、速度和振荡随时间变化的规律进行了分析。并分析了14mm直径的气泡在不同尺寸通道中上升过程的形态、速度的变化规律。结果表明:气泡的稳定形态随着气泡初始直径的增大由椭球形变为球帽形,且达到稳定形状的时间更长。气泡初始直径越大,气泡的顶端速度越快,并稍有波动。而气泡的底端速度开始快速增大使气泡向内凹陷,随后回落并在气泡顶端速度上下振荡。气泡上升通道越窄,气泡达到稳定形态的时间越长,顶端速度越小,气泡的高宽比越大。     

气泡运动的格子Boltzmann方法数值模拟

运用一种双分布函数多相格子Boltzmann模型,对几种气泡运动进行数值模拟,并分析了模型本身。指出在使用模型进行分析计时应注意的一些问题。进一步对气泡上升过程中流场压力分布的分析,提出模型中浮力产生原理的假设,根据假设提出了计算气泡上浮时适当的引入浮力的方法。     

不同壁面特性下液膜铺展性能数值模拟

液膜在安全壳表面的流动铺展性能对非能动安全壳冷却系统有重要的影响。采用三维数值模拟方法研究了降膜板表面形貌、接触角与液相雷诺数对液膜铺展性能的影响,并将结果与前人的实验和理论结果对比,吻合良好。研究发现,当降膜板为横向波纹板时液膜完全铺展时间、液膜厚度及界面湍动程度明显大于平板与纵向波纹板,此时波纹板波谷处会有循环流动产生。随接触角的增加或液相雷诺数的减小,液膜逐渐从完整流转变为片状流、溪流、滴状流。在纵向波纹板对液膜的导流与撕裂综合作用下,随接触角的变化,液膜的铺展性能与平板相比也发生较大的变化。     

纳米流体增强堆芯熔融物滞留能力的气泡动力学行为研究

在对Al2O3/H2O纳米流体物性归纳分析的基础上,采用移动粒子半隐法(MPS)对不同过热度、不同流速的Al2O3/H2O纳米流体流动沸腾过程中气泡的成长和脱离过程进行数值模拟,并与相同条件下纯水的气泡成长及脱离过程进行对比。模拟结果表明:与纯水相比,纳米流体中气泡生长更快,气泡脱离的频率更大,气泡脱离半径稍大,单位时间内气泡脱离壁面带走的热量更多,说明纳米流体强化了沸腾换热。从气泡动力学的角度初步揭示了纳米流体强化沸腾换热的内在原因。并针对核反应堆发生严重事故并启动熔融物滞留在压力容器(IVR)后的下封头冷却的特点,进行了加热面朝下的纳米流体沸腾气泡行为研究。研究表明:与纯水相比,纳米流体中的气泡更能及时脱离加热壁面,使得新流体能及时补充以冷却压力容器外壁、增强IVR的能力。