离散液滴运动模型研究

汽水分离器和安全壳喷淋系统是核电厂安全可靠运行的关键设备和设施,其运行过程涉及液滴在流场中的运动、碰撞和相变等物理现象。本文采用欧拉-拉格朗日耦合方法首先建立了离散液滴运动模型,包括单/多液滴运动模型、液滴碰撞、流场耦合、液滴相变、液滴产生和液滴消亡等单立模型,及相应的边界条件和空间条件,来描述多液滴在流场中的运动行为;其次给出了离散液滴运动模型的应用实例,来描述自然界蒸发、冷凝和喷雾等物理现象中的离散液滴运动行为;最后指出了现阶段离散液滴运动模型和算法存在的问题,希望感兴趣的学者在离散液滴运动模型研究方面进一步完善和推动其发展。     

液滴模型在波形板汽水分离器中的应用

基于液滴运动的物理描述和机理研究,根据液滴在蒸汽流场中的受力及液滴的物性,对液滴的物理状态进行了描述,将单液滴的三维运动模型应用于波形板汽水分离器,对波形板内部蒸汽流场进行了数值模拟,结合单液滴模型程序计算了液滴在波形板内部蒸汽流场中的运动。探讨了液滴在波形板汽水分离器中的分离。     

基于液滴碰撞模型的AP1000波形板汽-水分离器性能及结构优化研究

基于已有的液滴碰撞模型,采用数值模拟方法研究了AP1000波形板汽-水分离器的分离性能,通过优化波形板内部结构得到了具有高效低阻特点的波形板。首先采用液滴碰撞模型对波形板内液滴行为进行数学描述,然后对模型进行了数值求解。随后通过模拟液滴在波形板内的运动和碰撞等行为,得到了波形板对含有不同直径液滴、不同入口液滴体积份额的湿饱和蒸汽来流的分离性能与其内部湿度分布。进而通过对波形板结构的改造设计,达到了提高分离效率、降低流动阻力的目的。本文所采用的数值模拟方法对AP1000波形板汽-水分离器的性能优化有着实际的指导意义。     

重力场液滴旋转问题探究

对重力分离空间蒸汽流场单液滴旋转运动问题进行探究。根据液滴重力分离机理,采用考虑转动的单液滴模型,求解及分析了液滴在蒸汽流中受力、力矩及运动问题。描述了蒸汽流场及液滴旋转、液滴直径和速度等参数对于液滴轨迹的影响,为单液滴模型建立奠定了基础。     

旋叶分离器中液滴运动相变特性分析

为研究AP1000核电站蒸汽发生器中初级旋叶分离器的液滴运动相变特性以及液滴相变对汽水分离性能的影响,通过建立液滴运动相变模型,基于AP1000旋叶分离器三维模型,采用欧拉-拉格朗日方法求解气液两相流动模型,计算得到了不同工况下旋叶分离器的汽水分离效率和压降的变化规律,并分析了液滴相变特性对分离效率的影响,获得了不同初始半径液滴的相变特性。计算结果表明:随着蒸汽流速的增加,分离效率和压降快速增加;压降相同时,半径较小的液滴在运动蒸发过程中半径变化百分比较大,相比半径较大的液滴其运动轨迹容易改变,更易逃逸出分离器,造成考虑相变时的分离效率降低;在正常运行工况下,液滴相变对分离效率的影响可忽略。计算结果可为进一步研究汽水分离装置中的汽水分离性能提供理论依据,并用于指导汽水分离装置的设计。     

重力分离空间均匀流中液滴行为问题研究

本文针对汽水分离器均匀流场中单个液滴的运动机理进行研究,分析了液滴在蒸汽流中所受的力;建立了单个液滴运动模型,并进行了数值求解;分析了其主要参数对液滴运动轨迹的影响,包括蒸汽流速、液滴直径和初速度等。定性描述了蒸汽流场中液滴重力分离之机理,为单液滴动力学模型定量分析奠定了基础。     

液滴旋转模型在重力场和均匀流场中的应用

本文主要应用单液滴旋转模型,研究了重力分离空间均匀蒸汽流场中液滴行为,定性描述了均匀蒸汽流场中液滴轨迹,分析了液滴在重力场和均匀蒸汽流场中运动的影响因素。主要讨论了液滴旋转及升力的影响,为液滴旋转模型的定量分析及其应用奠定了基础。     

AP1000旋叶式汽-水分离器分离效率与压降的数值模拟

建立基于拉格朗日-欧拉方法的气-液两相流动的数学模型,利用商用计算流体力学软件CFX对该模型求解,数值模拟几何缩比后AP1000旋叶式汽-水分离装置内部冷态工况下气-液两相流动特性。模型中空气为连续相,其内运动的液滴视作离散相,针对液滴在流场中的运动特点,考虑液滴受到曳力、虚拟质量力、浮力和重力,并以此建立空气和液滴动量双向耦合的动力学模型。针对9个不同工况,利用CFX软件对两相流模型进行求解,得到不同直径大小的液滴在流场内的运动轨迹,进而得到分离器的分离效率和进出口总压降。结果显示:分离效率的计算值与冷态实验数据非常吻合,且压降计算值与冷态实验值变化趋势基本一致,验证所建立模型的正确性。     

液滴碰撞亲-疏水交界面的动力学特征

液滴碰撞不同润湿性表面将表现出不同的动态行为。为研究液滴碰撞亲-疏水交界面的动态行为,制备了超疏水-超亲水组合润湿性表面,控制液滴（初始直径D0为1.80 mm）以不同速度碰撞超亲水-超疏水交界面。研究结果表明：液滴轻触交界面时,相邻两极端润湿性表面将产生促使液滴铺展的驱动力,液滴在超亲水区域完全铺展,最大铺展直径可达5.51 mm,铺展系数β可达2.93。液滴以一定速度碰撞亲-疏水交界面时,液滴铺展和液滴弹跳同时发生。液滴铺展系数先增大后骤降,铺展系数曲线存在“尖峰”。最终铺展系数逐渐增大并趋于稳定。碰撞速度越大,铺展前期铺展系数越大。对液滴铺展过程中的能量分析表明,液滴动能和表面能的相互转换是液滴运动和铺展的关键。     

基于二元液滴碰撞模型的喷雾计算研究

两股互射喷雾内存在大量液滴碰撞现象。通过建立二元液滴碰撞模型模拟喷雾形状,以弥补广泛采用的O’Rourke模型的不足。本文建立了喷雾中二元液滴碰撞出现聚合、反弹、拉伸分离和反溅分离等机制的判别标准,推导了每种机制下碰撞后新生成液滴的数目、大小和速度的计算公式,并应用本文建立的二元液滴碰撞新型模型模拟了两股互射喷雾形状,并与实验数据进行了比较。模拟结果发现:新模型得到的喷雾总体形态与实验数据符合;O’Rourke模型得到的结果不能正确反映喷雾碰撞区域形状,而新模型得到的喷雾碰撞区域形状与实验数据一致;新模型得出的喷雾区域外几乎无液滴产生,这与实验图形相符,而O’Rourke模型会得到处于喷雾区域外的液滴。结果表明:与O’Rourke模型相比,二元液滴碰撞新型模型可正确模拟喷雾形态。这为更加真实地模拟喷雾形状,进而为定量研究喷雾特征提供了较为可靠的液滴碰撞模型。     

蒸汽发生器一级汽水分离器内流场数值模拟

以压水堆核电厂蒸汽发生器一级汽水分离器为研究对象，采用基于计算流体动力学（CFD）的计算软件ANSYS Fluent对湿蒸汽进入汽水分离器后的流场特性和汽水分离性能进行模拟，在模拟过程中采用了欧拉多相流模型和k-ε Realizable湍流模型相结合的计算模型。对工质流经汽水分离器的模拟结果表明，在汽相与液相经由汽水分离器流至各自出口时，出现明显的分层现象。对比不同切向出口和不同液滴粒径下的模拟结果表明，出口面积越大，汽水分离器对液滴的分离效果越好；在0.01~0.10 mm的粒径范围内，液滴粒径越大，分离效果越好。对不同负荷条件下汽水分离器分离效率的模拟结果表明，分离效率随机组负荷升高略有降低。      

单钩波形板分离器内二次携带机理分析

通过理论分析与三维数值模拟研究了实际运行工况下单钩波形板分离器内二次携带机理。采用Realizable k-ε湍流模型对波形板内气相流场进行数值模拟,利用离散相模型结合涡交互模型对水滴运动进行计算,根据壁面水膜运动方程求解水膜的速度与厚度分布;依据理论分析,对可能形成二次水滴的4种方式进行判定。结果表明：波形板内发生气体动力造成的水滴破碎与水滴撞击水膜产生飞溅的可能性较低,但较冷态工况的可能性高;水膜主要集中在波形板的前两级,随入口蒸汽速度或湿度的增加,水膜增厚并向下游移动;将水膜剥落和水膜分离的判别式进行统一,并证实波形板二次携带主要由水膜的剥落和分离造成,且相较水膜剥落,钩峰处的水膜分离更易发生。     

喷射钠火的初步分析及实验方法研究

以交换器入口端和蒸发器出口端的管道为例,研究管道中液态钠泄漏所产生喷射钠火的成因和影响后果,研究实际泄漏情况下钠的泄漏流速和形成钠滴的大小,比较模拟水喷射下的水流速和水滴大小,理解液滴在不同流量下和不同大小喷嘴的喷射形式和相互关系,选择合适的钠喷射喷嘴开展钠喷射实验,获得喷射钠火的相关数据,帮助理解钠喷射燃烧现象。     

核反应堆冷却剂丧失事故下喷淋液滴特性研究

在核反应堆发生冷却剂丧失事故（LOCA）时,大量质能释放到安全壳内,通过喷淋能有效降低安全壳内的温度及压力。考虑喷淋液滴下落过程中体积、质量、温度及阻力系数的变化,应用对流传热及传质关联式,计算得到液滴与周围介质的传热、传质特性。计算结果与TOSQAN试验对比符合较好。对不同液滴尺寸、不同环境压力及蒸汽未达到饱和的情况进行了计算,分析了喷淋的影响,结果可为喷淋系统的设计与应用提供一定的理论依据。     

水滴粒径对旋叶式汽水分离器性能的影响

采用计算流体动力学技术计算分析了水滴粒径对旋叶式汽水分离器性能及其内部流动细节的影响。采用Euler双流体模型结合均值粒径方法计算了分离器内两相流动,粒径选取范围为0.1～150 μm;通过分析流场细节揭示了粒径与分离器性能的内在关系。结果表明：随粒径的增大,压损呈先升后降趋势,分离效率呈“S”型增大趋势;对分离效率产生影响的粒径范围为5～150 μm,而对压损产生影响的粒径范围为大于5 μm;与试验值相比,计算所得压损相对偏差均在4.8%以内,且选用合适的粒径能获得较为准确的分离效率和出口湿度,表明本文计算方案较为可靠;蒸汽流量分配比和水分返流比均随粒径的增大而减小,而返流水分占出水总量的比例较高,可达48%,因此计算中必须加以考虑,建议计算域中加入外围空间。     

喷淋液滴在空气环境下的运动特性

本文以喷淋液滴在空气环境下运动特性为工程背景,建立单个液滴在常温、常压空气环境中的动量方程,分析液滴沉降特性、追赶特性及运动轨迹行为。计算结果表明,不同喷淋液滴初始条件下,短时间内存在重力大于曳力和重力小于曳力两种情况,但最终减速液滴均会达到受力平衡状态;液滴离开喷淋头后,垂向位移均迅速增大,液滴粒径越大、初始速度越大,垂向位移增长的速率也越大,达到相同位移的用时越短;液滴尺寸、初始速度相差越大,液滴追赶所用的时间越短,追赶位移越小,液滴尺寸、初始速度越接近,液滴追赶所用的时间越长,追赶位移越大;液滴初始速度越大、初始直径越大、喷射角度越大,横向速度消失越慢,达到的横向位移越大,喷射液滴覆盖的面积也越大。计算结果有助于优化工程实际中喷淋系统的设计与布置。