摇摆条件下矩形管内湍流流动特性的LES研究

采用FLUENT软件和大涡模拟方法对摇摆条件下矩形通道内的湍流流体进行了理论研究,分析了各种摇摆条件和矩形通道尺寸对湍流流体流动特性的影响.结果表明,当矩形管比较窄时,管壁会抑制摇摆运动对湍流流体的影响;当摇摆幅度比较小时,摇摆运动对湍流流体的影响比较小;随着矩形管长宽比的减小,管壁上湍流摩擦阻力系数逐渐减小,并呈波形...     

90°弯头内流体压力脉动特性的大涡数值模拟

以90°弯头在高温气冷堆内的特殊应用为背景,运用大涡模拟方法对90°弯头内的复杂流场进行了数值模拟,并将时均化处理后的结果与实验结果以及RANS稳态模拟结果进行了综合对比。通过对内、外弧面特定监测点的压力脉动信号进行功率谱密度分析,研究了在流动分离和二次流共同作用下弯头内压力脉动的特点。研究结果表明,压力脉动在内、外弧面上的成因不同。内弧面上最大压力脉动功率出现在弯曲角度50°附近区域,主要由流动分离和涡脱落引起;外弧面上最大压力脉动功率出现在弯曲角度12°附近区域,由流体与外弧面的冲击作用引起。     

摇摆条件下强迫循环流量脉动特性分析

对摇摆条件下的单相强迫循环流量脉动特性进行实验研究,并通过受力分析研究影响流量脉动的主要因素。研究表明:摇摆运动能否造成强迫循环流量出现周期性的脉动主要取决于泵驱动压头与附加惯性力的相对大小。摇摆幅度或频率越大,流量脉动幅度越大;循环泵驱动压头越大,流量脉动幅度越小;当驱动压头与附加惯性力的比值达到一定值后,摇摆运动发生前后流量不再出现明显变化。     

摇摆条件下两环路自然循环回路特性分析

在海上小型堆设计中,需要考虑海洋运动条件对热工水力特性的影响。本文建立了海洋运动条件下的附加惯性力模型,并将该模型应用于RELAP/SCDAP程序中,得到了适用于海洋运动条件下的系统分析程序,利用修改后的RELAP5程序,分析了在摇摆条件下自然循环回路的热工水力特性。分析结果表明,摇摆条件下,自然循环回路的平均流量小于静止条件下的自然循环流量,环路流量波动滞后于横摇运动,冷却水温波动滞后于环路流量波动,摇摆幅值越大,频率越高,流量波动幅值越大。当摇摆较剧烈时,环路上出现倒流现象。增加加热功率或提高冷热源之间高度差可增加系统的自然循环驱动力,减小横摇运动对自然循环的影响。     

摇摆条件对核动力装置凝汽器热阱瞬态流场特性影响研究

大幅摇摆运动引起核动力装置二回路系统凝汽器热阱内凝水流场与压力波动,严重时会引发凝水系统汽蚀并影响蒸汽发生器供水安全。采用计算流体力学(CFD)方法分析某海上浮动核电平台凝汽器热阱在3种横摇及纵摇工况下的瞬态流场与压力波动特性。研究结果表明:摇摆运动均导致凝汽器热阱内凝水压力呈周期性波动;波动周期与摇摆周期一致,波动幅值随摇摆周期的减小而迅速增加;小摇摆周期下,热阱底部凝水压力下降至凝水系统最低抗汽蚀设计压力之下,使凝水系统出现潜在汽蚀风险;摇摆运动引起热阱内凝水液位剧烈晃荡与凝水质点受力瞬态变化,是影响凝汽器热阱内瞬态热工水力特性的2个重要因素。     

超临界压力下考虑密度脉动的湍流模型开发

目前超临界水传热数值程序中使用的湍流模型都是针对亚临界压力下常物性开发的,未考虑密度脉动。超临界水的物性随温度变化显著,密度脉动对湍流模型的贡献很大,不可忽略。本文建立了考虑密度脉动的模拟方法,模拟方法中同时考虑了热膨胀系数的脉动。将建立的密度脉动模型用于AKN湍流模型中,并采用实验数据进行验证评价。评价结果表明,考虑密度脉动的湍流模型模拟得到的结果与实验值符合得更好。建议在以后的超临界水传热的湍流模拟中考虑密度脉动。     

屏蔽式核主泵动静转子间的压力脉动特性

为了研究屏蔽式核主泵动静转子间的压力脉动特征,应用数值模拟方法,采用分离涡模拟（DES）,对模型泵不同流量工况进行非定常计算,分析其时域特征和频域特征,得到了其压力脉动特性。结果表明：核主泵模型泵动静转子之间压力脉动的频率为叶频及其倍频,这是由于叶轮出口边的射流尾迹与导叶入口边周期性的相互切割作用引起的。压力脉动的波动幅度在蜗壳出口处最大,且沿逆时针方向逐渐减弱;在小流量下较小,随着流量增大,其波动幅度增大。动静转子间存在低压流体区域,其数量与叶轮叶片数相同,传播速度与叶轮转速相同。     

圆管内层流脉动流动相位差分析

为研究圆管内脉动流的流动特性,通过建立数学模型,对圆管内低频率层流脉动流动中流量与压差间的相位差进行了分析。研究结果表明：低频率流量脉动未引起流体的速度径向分布变化,压差与流量之间存在相位差,相位差只与通道直径、流体黏性及脉动频率相关,脉动频率及流道半径越大,相位差越大,加速度是导致相位差出现的主要原因。     

横向震荡条件下水中气泡速度特性实验研究

针对横向震荡条件下气泡的速度特性进行实验研究。设计横向震荡实验台,通过高速摄像机记录横向震荡条件下气泡的运动状态,通过追踪气泡的运动轨迹,提取气泡的运动参数,得到不同横向震荡周期(T)下气泡的速度和轨迹。对比不同横向震荡T下气泡的运动状态,结果表明:横向震荡引入的附加惯性力和液面晃荡对气泡水平速度、竖直速度和气泡轨迹均有明显影响;横向震荡T越长,气泡水平速度的峰值越大,气泡的轨迹越曲折,气泡竖直速度越小。与附加惯性力相比,流场对气泡的冲击作用对气泡水平速度的影响更大。     

脉动流通道内带纵向涡发生器动态特性研究

对单侧带有周期性分布纵向涡发生器通道内的流动与传热动态特性进行了非稳态三维数值模拟;通过数值仿真的方法研究了带纵向涡发生器通道在进口流速呈正弦波周期性脉动扰动下出口平均温度的响应特性;分析了进口脉动流脉动频率对纵向涡发生器传热通道动态特性的影响规律.结果表明:在脉动流动的影响下纵向涡发生器的传热能力得到了强化,随着脉动频率的增加传热强化程度得到了进一步加强.     

竖直圆管内脉动流量下临界热流密度预测

以预测脉动流动下临界热流密度下降阈值的温度反馈模型为基础,用实验数据对理论预测结果进行修正,并根据修正后的临界热流密度下降阈值拟合了一个流量脉动条件下竖直小管径圆管内临界热流密度的半理论半经验预测公式.该公式预测值与低压低质量流速下Umekawa和Ozawa的脉动流动临界热流密度实验结果相比较,平均相对误差为11.15%,低于Kim关系式21.04%的预测误差.     

摇摆条件下圆管内的摩擦阻力模型

对摇摆条件下的层流和湍流流体的受力特性进行了分析。从Navier Stokes方程出发建立了摇摆条件下层流和湍流流体的流动模型,推导出了摇摆条件下圆管内层流和湍流流体的速度表达式和摩擦阻力系数表达式。分析了摇摆条件对流体流动特性的影响机理。将理论模型与实验结果进行了比较验证,两者较为吻合。     

摇摆运动条件下自然循环复合型脉动的实验研究

对摇摆运动条件下的自然循环两相流动不稳定性进行实验研究。实验结果表明：摇摆运动造成的两相流动不稳定性（波谷型两相流动不稳定性）和密度波型脉动相互叠加形成复合型脉动,加剧了系统的两相流动不稳定性。复合型脉动分为不规则的复合型脉动和规则的复合型脉动两部分,复合型脉动仅发生在高欠热度区域。规则的复合型脉动发生边界与相同热工水力参数下的密度波型脉动边界接近且受摇摆参数影响较小。     

摇摆条件下窄矩形通道内流动传热特性数值模拟

建立窄矩形通道在摇摆条件下湍流流动的物理数学模型,应用数值分析方法模拟窄矩形通道的三维非稳态流动的传热过程;考察摇摆条件下通道内流动阻力和换热性能及其随雷诺数Re、摇摆周期T及摇摆幅度max影响的变化规律。结果表明,摇摆状态下窄矩形通道内速度场呈周期性变化;时均摩擦系数favg和时均努塞尔数Nuavg比非摇摆工况下的结果大,Nuavg满足拟合公式0.851 0.4Nu 0.023Re Pr;在相同Re和摇摆周期T下,通道内流体摩擦压降和Nu的变化幅值随max的增大而增大,其变化周期等于T;在相同Re和max下,摩擦压降pf和Nu的变化幅值随T的增大而减小,其变化周期等于T。     

海洋条件下冷却剂系统自然循环仿真模型

在对核反应堆堆芯冷却剂系统分析的基础上,建立了海洋条件下冷却剂系统自然循环运行状态仿真模拟的数学模型。模型分为稳态计算和动态计算两部分,包括修正的单通道模型、强迫外干扰力模型、两相沸腾计算和动态计算模型等。对于海洋条件,主要是针对左右摇摆的情况进行了计算,并对结果作了简单的分析。计算结果表明模型是可行的。     

棒束内湍流流动特性的PIV与CFD研究

在压水堆燃料组件的定位格架下游,局部扰动沿流动方向逐渐衰减,流场最终趋于稳定。光滑棒束区冷却剂的湍流流动和交混特性是影响反应堆经济性和安全性的重要因素,有必要进行深入研究。本文采用粒子图像测速（PIV）与数值模拟(CFD)相结合的方法,对3×3小规模棒束内水的流动特性进行研究,得到了一阶平均流速以及二阶湍流统计信息。结果表明,中心子通道的速度明显高于棒间隙区,但轴向均方根速度呈现出相反的变化趋势。在相邻子通道横向速度梯度的作用下,棒束内出现了大尺度的流量脉动现象,且脉动波长随雷诺数的增加而增大。此外,实验得到的湍流交混系数较压水堆采用的Castellana公式预测值偏高10%左右,这一偏差随雷诺数的增加有减小的趋势。     

竖直圆管内气泡运动的大涡模拟研究

基于两流体模型框架,使用雷诺平均N-S方程(RANS)和大涡模拟(LES)两种湍流模型对竖直圆管内的绝热离散气 液两相流动进行数值模拟研究。计算结果表明,采用恰当的相间相互作用模型,两种模型的时均模拟结果同实验均符合较好。气泡的壁面聚集现象被准确预测,速度场预测也较为准确。与基于RANS的SST湍流模型相比,采用WALE亚网格应力的大涡模拟得到的结果同实验符合得更好,且大涡模拟可给出流动的瞬态细节。     

基于CFD数值模拟的复合叶轮核主泵压力脉动特性研究

为了降低核主泵在不同工况下运行时的压力脉动,采用数值模拟对核主泵3种不同进口直径的短叶片进行对比。结果表明：短叶片进口直径的改变并未改变叶轮的主频,但随着短叶片进口直径的增加,背面高频值逐渐减小,而工作面高频值却逐渐增大。在小流量工况下不同进口直径的短叶片的压力脉动幅值均较大;在设计工况下叶片背面各监测点在低频区与高频区域的波动能量明显大于叶片工作面各监测点在低频区和高频区的波动能量;大流量工况下叶片背面附近各监测点的低频区带宽及高频区的脉动能量明显增加,叶片工作面附近各监测点的脉动幅值出现较大的增加,短叶片背面附近各监测点的脉动幅值明显高于长叶片背面的脉动幅值。分析结果表明：短叶片进口直径为0.72D₂时,压力脉动在各种工况下运行最小。     

混流式主泵模型泵内部流场压力脉动特性研究

采用ANSYS-Workbench与CFX实现的流-固热双向耦合技术对主泵模型泵内部流场的压力脉动进行数值模拟分析,研究了流-固热耦合作用下反应堆冷却剂泵(简称"主泵")叶片的压力脉动特性。根据压力脉动时域和频域情况,探讨产生压力脉动的主要原因,同时对不同流量下的压力脉动情况进行对比。叶轮进出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘均升高;叶轮进口和出口的压力脉动主要由叶轮转动频率决定,随着流体不断远离叶轮,叶轮对流体压力脉动的影响逐渐减弱;对比不同流量工况结果,设计工况的脉动幅值最小。     

倾斜与摇摆条件下一体化反应堆自然循环特性研究

通过建立海洋条件下的附加力模型与控制体空间坐标求解模型,开发了基于RELAP5/MOD3.1程序的海洋条件热工水力分析程序。研究了海洋条件下一体化反应堆IP200的自然循环特性,分析倾斜与摇摆条件对自然循环的影响。计算结果表明:倾斜会降低堆芯流量,导致左右侧环路冷却剂流量不一致,影响直流蒸汽发生器的换热特性;摇摆情形下,环路的附加压降主要由切向力贡献;摇摆轴偏离中心位置以及倾斜和摇摆的叠加运动均会打破环路间的热工水力对称性,增大堆芯流量的波动幅度。