多孔介质通道中单相流动压降预测模型

与常规管通道相比较,流体在多孔介质通道中的流动过程更复杂,流动阻力也大幅增加,这就使得难以准确预测流体流过多孔介质通道时的压降。通过构建多孔介质通道的几何模型,并求解N-S方程,虽然可以准确预测阻力压降,但计算时需要划分大量的网格,很难广泛应用。本文在相似理论基础上,以Fluent 6.3为平台,建立了颗粒填充多孔介质通道的压降预测模型,通过求解3维N-S方程,对模型中单相水的绝热流动进行了数值模拟。通过与实验结果进行比较,证明该预测模型对于不同工况下单相流体的压降计算具有较高的计算精度,误差范围小于5%。     

竖直环形狭缝通道内环状流的预测模型

对竖直环形狭缝通道内环状流流动沸腾传热理论模型进行了分析，以液膜质量、动量和能量守恒方程为基础，结合汽芯动量方程建立了竖直环形狭缝通道内环状流的数学物理模型。对该模型进行数值求解，得出了液膜厚度、液膜内的速度分布和温度分布、内—外管的换热系数以及通道内压降值，并与实验值进行了比较。     

用平行通道模型模拟异相脉动

本文主要介绍了一组沿直线排列的平行沸腾通道，通过解一维中子扩散方程来确定这个通道排列的功率分布。模型研究了在平行通道排列中导致异相脉动的条件，定性地再现了沸水堆(BWR)堆芯。在一组直线排列的通道中模拟了所有通道的情况。使用一维动力学通过联刚的中央指令处理器(CPU)来求解这些通道。根据1994年核能署对于林哈尔斯(Ringhsls)反应堆的稳定基准试验来确定通道的组别。通过在每个通道施加相同的压降为边界条件作为稳态的初始条件，对通道流量进行迭代。这个恒定的压降同时也施加在反应扰动的瞬时反馈上，这个反馈诱发了异相脉动、数值计算采用基于并行虚拟机(PVM)的并行计算方案。     

摇摆运动下矩形窄通道内流动沸腾阻力特性

本工作对摇摆运动下水在矩形窄通道内流动沸腾阻力特性进行实验研究分析。一方面利用竖直静止实验数据对已有两相压降的计算方法进行评价,结果表明,应用于常规通道的关系式已不适用于窄通道中流动沸腾压降的计算,基于窄通道的Zhang-Mishima及Sun-Mishima关系式预测结果与实验值符合较好;另一方面得出了摇摆运动下流动沸腾阻力特性,摇摆运动使两相压降周期性波动,但摇摆角度和摇摆周期对压降的波动幅度、两相平均摩擦压降几乎无影响。     

矩形通道高宽比对两相流动阻力和流型关系的影响

在可视化观察的基础上,实验研究了矩形通道高宽比对两相流动阻力和流型关系的影响。实验选择了3种通道尺寸的实验段,截面宽度相同,全部为43 mm,高度分别为1.41、3和10 mm,根据受限因子C_o,前两个实验段属于窄通道,第3个属于常规通道。实验结果表明：高宽比不同时,随着气相流速的增加,通道内两相流动压降呈不同的变化趋势。对于10 mm通道,低气相流量时重位压降占主要成分,而对于1.41 mm和3 mm通道,摩擦压降占主要成分;随着气相流量的增大,总压降中摩擦压降的比例也增大;对于10 mm矩形通道,可利用压降变化规律确定搅混流的发生范围。     

随机填充球床通道内氦气流动特性实验研究

在聚变堆氦冷固态包层氚增殖区,球床通道内氦气流动压降特性对泵功率的设计具有重要意义。以氦冷固态包层氚增殖区为背景,研究了氦气流速、球床颗粒直径及球床通道长度对球床通道内氦气流动压降特性的影响。实验段采用20 mm×20 mm×500 mm的矩形通道,实验中氦气流速为0.1～0.6 m/s,球床颗粒直径为0.5、0.8、1.0、1.5、2.0 mm。实验结果表明,压降与氦气流速以及球床通道长度呈正相关,与球床颗粒直径呈负相关。对比Ergun关系式发现,在球床颗粒直径较小时,Ergun关系式预测值低于实验值,这主要是由于氦气可压缩性的影响。通过动量方程,理论推导出经可压缩性修正的Ergun关系式,结果发现修正后的Ergun关系式预测值与实验值符合良好。本研究为氦冷固态包层氚增殖区设计提供了数据支撑,为球床通道内流动特性的数值模拟提供了验证手段。     

含内热源多孔介质通道内流动沸腾两相压降的预测

为预测含内热源多孔介质通道内流动沸腾的两相阻力压降,以Ergun方程为基础,定义了多孔介质通道的Chisholm参数Y和全液相折算因子Φ_l0。通过理论分析和实验数据测量,明确了出口质量含气率x_e、质量流速G和小球直径d等对参数Y和Φ_l0的影响,并提出1个Lockhart-Martinelli（L-M）类型的两相阻力压降关系式。与文献中的其他公式相比,本工作提出的公式对实验结果能做出更好的预测。     

空泡份额模型在矩形通道沸腾压降计算中的适用性评价

分析了各空泡份额模型随质量流量、系统压力及质量含气率的变化关系,并对各空泡份额计算模型在窄矩形通道内的应用进行了评价。研究结果表明:尽管空泡份额模型选取对重位压降及加速压降计算影响极大,但由于窄矩形通道内的饱和沸腾流动以环状流为主,重位压降及加速压降在两相总压降中的份额极小,因此在两相摩擦压降计算过程中,空泡份额模型的影响非常轻微。采用Zivi模型计算得到的沸腾摩擦压降与其他关系式计算值相对偏差在±5%范围内,因此建议采用Zivi模型计算窄矩形通道内空泡份额。     

加热双通道密度波流动不稳定性数值研究

密度波流动不稳定性是影响换热设备安全性和可靠性的重要因素之一,其发生机理十分复杂。本工作基于RELAP5程序对加热通道密度波脉动进行了动态计算分析,揭示了脉动期间流体密度、流量及压降等参数的变化规律,并与两种经典机理进行比较分析。结果表明：密度波脉动期间,通道内流量、密度（空泡）及压降呈周期性脉动,加热通道内轴向不同位置流量不同,进出口流量反相脉动,单向段压降和两相段压降基本反相;加热通道密度波脉动的发生与两相段流量波动传播的延迟性有着密切的关系。     

摇摆条件下圆管通道内气-液两相压降特性研究

开展了摇摆条件下圆管通道内气-液两相压降特性实验研究,获得了摇摆条件下实验段内瞬时及时均压降。构建了摇摆条件下两相压降计算模型构建,与实验结果对比符合很好。根据实验数据和模型计算结果分析摇摆条件对两相压降特性的影响规律,发现摇摆条件下通道内瞬时总压降呈现周期性波动,但其时均值和静止时相比偏差不大。进一步分析发现,摇摆条件下摩擦压降基本不变,摇摆运动引入的附加压降可忽略不计,而摇摆条件下重位压降的周期性波动是总压降出现周期性波动的原因。     

海洋条件下反应堆热工水力参数的子通道计算

针对海洋条件下反应堆的子通道热工水力分析,建立了海洋运动附加力模型和瞬态入口边界,将起伏、摇摆及复合运动的附加力关系式用于子通道模型的轴向和横向动量方程,并应用到COBRAⅢC程序将其改造为适应海洋条件的反应堆子通道分析程序。作为验证,计算了加热实验通道和"奥陆"堆在起伏运动情况下热通道的临界热流密度比(CHFR)、出口空泡份额和冷却剂流量,并与文献结果对比。还详细计算了"奥陆"堆在起伏、不同摇摆中心和复合运动情况下,热通道的CHFR和不同位置子通道出口的热工水力参数。研究表明:海洋条件下反应堆的子通道热工水力参数随运动呈周期性变化;起伏运动对子通道的压降影响较大,摇摆运动对子通道冷却剂的流量和温度影响较大。     

摇摆状态下竖直管内环状流摩擦压降计算

对摇摆状态下3种不同管径的竖直管管内环状流摩擦压降计算进行了研究.以分相流模型为基础,对采用传统奇斯霍姆常数C所得到的环状流摩擦压降计算值与实验值进行比较,发现误差很大.通过分析发现,在摇摆状态下,奇斯霍姆常数C与滑速比呈降幂指数关系.结合实验数据给出了相应的计算关系式,并采用该计算式对环状流摩擦压降进行计算,实验值与计算值符合较好.     

中低压条件下矩形窄缝通道两相流动传热试验研究

在中低压条件下,对矩形窄缝通道两相流动传热进行试验研究,分析两相流动传热的变化规律,拟合出饱和沸腾传热系数计算关系式,并采用简化的一维分析方法对两相压降进行分析计算。试验结果表明:在相同热平衡含汽率(x)情况下,两相流动压降随系统压力(p)的降低而增大,随系统流量的增大而增大的变化规律;p越低,两相流动压降随x的增加而增大越剧烈;流量越大,两相流动压降随x的增加而增大越剧烈。通过数据回归方法得到汽相湿周长比例因子F并拟合了计算关系式,其计算值与试验值符合得较好。矩形窄缝通道内饱和沸腾平均传热系数受p、质量流量及热流密度的影响较大。     

不稳定条件下水平管单相水流动阻力特性实验研究

针对不稳定流动（脉动流）条件下的实时阻力特性进行了实验研究。研究表明：脉动流造成了摩擦压降特性的改变,摩擦压降随流动波动而波动,且二者存在相位差。分析可知,加速度对摩擦压降产生较大影响,相同大小的流速和加速度下,加速度方向不同时,摩擦压降也不同,加速度为正时,摩擦压降较大,加速度为负时,摩擦压降较小,加速度为0时,摩擦压降为唯一值。在理论分析的基础上,拟合了适用于脉动流条件下的实时摩擦压降计算关系式,拟合结果和实验结果符合良好。     

周期性力场作用下窄通道内两相流压降特性

通过实验研究了摇摆造成的周期性附加惯性力作用下矩形窄通道内空气 水两相流压降特性。按分液相雷诺数将流动分为层流区（Re_f <800）、过渡区（800≤Re_f≤1 400）及湍流区（Re_f >1 400）3个区域,并对各区域内附加压降、重位压降和摩擦压降平均值及瞬态值进行了比较。结果表明,附加惯性力对窄通道内两相流整数倍周期内平均摩擦阻力无明显影响。周期性附加惯性力作用下(摇摆周期16 s,摇摆振幅30°),层流区及过渡区气相表观速度、液相表观速度、质量含气率及摩擦压降随时间周期性波动,波动周期等于摇摆运动周期;瞬时摩擦压降相对于其平均值的波动幅值随气液两相流速的增加而减小。湍流区两相流动参数周期性波动不明显。     

非均匀加热蒸发管内两相流动不稳定性数值分析

针对蒸发管非均匀加热工况,采用包含水平、倾斜上升、垂直上升和垂直下降流动的优化内螺纹管,建立了基于均相流模型的蒸发管数学模型,采用时域法模拟了蒸发管内两相流动不稳定性。计算了不稳定发生时,进口流量在各时间点的数值,并与Siemens公司的计算结果进行了对比,结果符合良好,表明本文采用的数学模型和数值方法在模拟两相流动不稳定性上具有一定的可靠性。分析了系统参数对两相流动不稳定性的影响,并与均匀加热工况进行了比较。结果表明:非均匀加热工况系统参数影响规律与均匀加热工况具有相似性,增加进口压力或进口流量系统的稳定性提高;减小进口阻力系数或增大出口阻力系数系统的稳定性降低。     

Effects of ship motions on natural circulation of deep sea research reactor DRX

DRX is a very small integral type PWR (750 kW_t) for a scientific deep-sea research bathyscaph. The core having a small amount of steam is cooled by natural circulation and pressurized by self-pressurization. During operation of the bathyscaph in a deep sea or near the water surface, a ship inclination or ship motions will affect the reactor behavior. This paper describes the effect of a heeling or a heaving on the thermal hydraulic behavior of reactor system, which is analyzed by improved so to simulate the effect of ship motions. The dynamics has a feature of nuclear power-natural circulation flow coupling under the condition of external forces. The analysis shows that ship inclination induces the core flow to decrease but reactor power recovers to the initial level without help of the reactor automatic control system. The heaving makes the core flow and the reactor power oscillate in phase with heaving, which are different from a density wave oscillation. Oscillation amplitudes of the flow and the power have peaks at the heaving period of 5 s. The peaks are due to resonance of the natural circulation flow and the heaving. An effective measure to suppress this oscillations due to heaving is to pressurize the primary loop by filling non-condensable gas. The density wave oscillation occurs when the reactor power increases over the rated power, and the boundary of its occurrence is analytically revealed. Under the condition of both density wave oscillation and heaving, the system shows to oscillate with the overlapped effect.     

先进安注箱阻尼器压降特性实验研究

通过开展先进安注箱阻尼器压降特性实验,获得了阻尼器两种不同形式的压降特性,研究了不同几何参数对压降系数的影响规律,并且拟合了压降系数关系式。结果表明:在实验参数范围内,漩涡压降系数随雷诺数增加而逐渐增大,交混压降系数随大/小管流量比的增加,先快速减小而后缓慢增加。小管宽度和阻尼器直径对漩涡压降系数有一定程度影响,大小管夹角、阻尼器直径和大管宽度对交混压降系数有影响,小管宽度对交混压降系数影响不明显。漩涡压降系数关系式预测值与实验值偏差在±10%以内,交混压降系数关系式预测值与实验值偏差较大。      

自然循环工况下离心泵阻力特性的实验研究与数值模拟

停转后泵的阻力特性对自然循环流量影响明显。为研究低流量自然循环工况下离心泵的阻力特性,设计了实验台架,对离心泵的正向压降、反向压降和损失系数进行了测量,实验雷诺数为2.0×10⁴～1.5×10⁵。实验表明：相同雷诺数下,反向压降明显高于正向压降;雷诺数大于8×10⁴时,损失系数基本保持不变,而低雷诺数下损失系数随雷诺数的降低有增大的趋势;基于实验得到了损失系数的经验关系式。采用CFD方法对离心泵的内部流场进行了模拟,计算表明：CFD方法能较好地预测损失系数,RNG k-ε模型与实验值的相对误差不超过10%;离心泵的压力损失主要集中在叶轮、导叶等结构的交界区域;正向与反向流动的流场分布存在显著区别;低雷诺数下局部流动更加不稳定。     

Experiments of Two-phase Flow Dynamics of Marine Reactor Behavior under Heaving Motion

Two-phase flow dynamics of a marine propulsion reactor—of the steam generator in particular—subjected to heaving acceleration were studied on a small-scale rig simulating the primary and secondary circuits of those of N. S. Mutsu. To impart the heaving acceleration, the rig was mounted on a suspended platform oscillated in vertical direction by hydraulic device. Heaving acceleration applied to this rig proved the responding variations of circulating flow, of evaporator steam void fraction and of downcomer water level to be proportional in amplitude to that of the acceleration. The circulating flow was found to pulsate with phase lag behind the heaving acceleration indicative of a second order lag function. Constriction of flow channel downstream of the evaporator—producing resistance against flow amounting to 1.15 times that of the entire loop—proved to amplify significantly the responding pulsations of circulating flow. The pulsations were conversely appreciably diminished by the insertion of a second channel constriction upstream of evaporator—producing 2.7 times loop resistance. When devoid of heaving acceleration, with insertion of flow constriction downstream of evaporator, circulating flow was indicated to be controlled by density wave oscillation, whereas upon application of heaving acceleration, the flow came to be controlled by the external acceleration.