铅铋介质闭式换向器运行特性与水锤现象研究

为研究闭式换向器在液态铅铋合金（LBE）介质换向过程中的流量稳定性及其适用性,采用FLUENT软件结合重叠网格方法对三通切换阀形式的闭式换向器换向时上游的压力与速度波动进行计算分析。结果显示,换向过程中,阀芯启动及停止运动时产生水锤,水锤波以介质声速在管道中传播,从而影响管道内压力和速度的分布,水锤波的峰值大小与介质密度、阀芯运动速度成正比,水锤波频率不受阀芯运动速度影响。由于水锤波的波峰值较大,使此类型闭式换向器在LBE下换向动作时上游管道难以维持稳定流量并威胁装置安全,故在LBE流量标定装置中不适用。     

液态铅铋合金回路氧输运特性的数值研究

为研究液态铅铋合金（LBE）冷却剂系统气态氧控装置——膨胀箱中覆盖气体的氧输运特性,利用计算流体动力学（CFD）软件ANSYS Fluent对氧输运进行了数值计算。根据覆盖气体流动特性和混合气体中低氧分压特点,对膨胀箱气相空间进行简化,将气-液交界面视为氧浓度恒定的自由表面边界,采用组分输运模型计算气体和液态LBE之间传质后的液态LBE氧浓度。结果表明,传质系数随液态LBE入口流速增大而增大,液态LBE入口流速增大则膨胀箱内气-液对流强度增加,有利于增强膨胀箱的氧输运;膨胀箱中液态LBE温度越高,则氧输运的平均传质系数越大;在液态LBE入口流速一定时,平均传质系数可表示为温度的递增函数。在饱和氧浓度阈值内,入口氧浓度和气-液交界面氧浓度不影响膨胀箱的传质系数,对液态LBE回路的氧浓度控制有利。本研究定量获得了使液态LBE回路处于合理氧浓度范围内的操作条件,为实验及系统设计提供数据参考。     

基于DPM模型的铅铋合金中颗粒物对管道冲蚀的数值模拟研究

基于流体力学理论研究液态铅铋合金（LBE）流体中颗粒物对管道壁面的冲蚀作用,采用Fluent软件中的离散相模型（DPM）对管壁的冲蚀进行数值模拟研究。结果表明,弯管角度、颗粒粒径、颗粒物浓度、管道的管径以及流速等对管壁的冲蚀磨损产生明显影响,其中,流速影响较大,在高流速下的冲蚀严重;弯管角度的影响显著,对直管段的冲蚀较弱,对弯管角度在30° ~ 90°之间的管道的冲蚀比较严重;颗粒粒径在1 ~ 9 μm内的微颗粒对管道冲蚀影响较小,粒径增大到10 ~ 90 μm时,冲蚀速率变化不明显,粒径增大到100 ~ 900 μm时,大直径的颗粒对管道冲蚀严重。      

液态铅铋电磁流量计初步标定实验与分析

铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)是加速器驱动次临界系统主选冷却剂材料之一,其热工流量测量面临高温、强腐蚀等苛刻环境。电磁流量计(Electromagnetic flow-meter,EMFM)是目前国际上用于铅铋流量测量的主选设备之一。研究发现,铅铋电磁流量计的标定技术对于其准确测量具有重要作用。本文基于PREKY铅铋技术预研实验平台,对自主研制的高温铅铋电磁流量计进行了标定实验与分析。在温度为350oC、流量为3.8–4.5m3?h-1的工况下,获得了液态铅铋电磁流量计的标定公式。标定公式计算值与实验值之间的误差范围是-4.9%–5.9%。     

液态金属中固态颗粒物运动特性的数值模拟

液态铅铋合金(Liquid Lead-Bismuth alloy,LBE)是第4代液态金属冷却反应堆首选的冷却剂材料,但面临氧浓度降低困难的问题,理论上通过氢化锂与氧反应可以降低其中的氧浓度,然而反应产物不溶性微小颗粒物氧化锂会威胁反应堆的安全运行。以铅铋合金系统的膨胀箱为研究对象,利用fluent软件对圆柱形箱体内固态颗粒物运动进行分析和模拟,连续相采用标准k-ε模型,固相颗粒物采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM),研究铅铋合金中氧化锂颗粒物的运动规律。结果显示:大直径的氧化锂颗粒上浮时间短,在径向方向的位移小,导致靠近轴心的浓度较高,小直径的氧化锂颗粒上浮时间长,在径向方向的位移大,导致靠近轴心的浓度较低。为后续铅铋合金系统的净化与控制提供参考。     

铅基反应堆严重事故下燃料迁徙行为机理实验研究

在铅基反应堆严重事故中,燃料颗粒在堆内迁徙过程中可能导致堆芯堵塞,存在重返临界的风险。为了获得液态铅铋合金（LBE）夹带金属颗粒的流动迁徙行为特性,本研究设计了石英玻璃可视化实验段,搭建了液态LBE夹带颗粒流动凝固行为可视化实验装置Eirene,开展了LBE在圆形通道内的流动凝固实验和LBE夹带不锈钢颗粒的流动凝固实验,获得了液态LBE流动凝固动态特性的影像数据、LBE进出口温度和管壁温度数据。由实验结果可知,颗粒球床的存在会严重阻碍LBE在玻璃管内的流动,且在球床密集区域极易形成凝固堵塞,大量颗粒停留在实验段中段,由外至内逐步形成堵塞。实验结果可为铅基反应堆严重事故分析模型验证提供支持。     

铅铋快堆螺旋管直流蒸汽发生器热工水力特性数值研究

本研究以铅铋快堆螺旋管直流蒸汽发生器（HOTSG）设计结构为研究对象,采用精细网格与多孔介质相结合的物理建模方法,通过一次侧三维湍流计算与二次侧用户自定义函数（UDF）分区传热计算相耦合的手段,在FLUENT求解器中开展了蒸汽发生器的热工水力特性数值分析研究。研究表明:铅铋入口附近的流量分配孔和腔室对应的直管段区域出现铅铋流速峰值,径向最大速度为0.431 m/s;入口腔室至管束区位置受到阻力突变的影响,压力、横流速度、轴向速度变化较大;热工参数变化符合流动与传热机理,临界热流密度（CHF）点附近一二次侧温差最大为109.61 K,此处最大热流密度为323.55 kW/m2。该研究将为铅铋快堆HOTSG结构设计、流致振动及安全评价提供重要的参考。      

铅铋快堆SGTR事故下高压过冷水注入高温铅铋合金流动传热数值模拟研究

铅铋快堆内蒸汽发生器传热管两侧为高压过冷水和高温铅铋冷却剂,传热管两侧较大的压差和温差以及液态铅铋合金（LBE）的腐蚀效应可能造成蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故。深入研究事故后高压过冷水冲击高温液态LBE的射流沸腾和相变产物蒸汽扩散的特征,具有十分重要的学术意义和工程应用价值。为揭示事故工况下液态LBE与水相互作用的传热传质机理,基于流体体积（VOF）方法,结合LES湍流模型和Lee相变模型,建立了水/蒸汽-液态铅铋多相流动与传热的三维数值计算模型,系统研究了高压过冷水注入高温LBE内发生的相变传热过程。结合注入压力及过冷水温度等因素,分析了射流沸腾过程中不同工况对射流形态、迁移深度以及沸腾行为的影响,研究结果可为SGTR事故工况下堆芯安全性预测提供指导。     

液态铅铋合金热物性研究

液态铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)是加速器驱动次临界系统(Accelerator driven subcritical,ADS)重要的散裂靶材料和冷却剂候选材料,其热力学物理性质是ADS研发过程中必须解决的基础问题。通过对已有定律的推算,得出液态铅铋合金熔沸点、密度、比热容、粘度、热导率的热物性公式;并拟合了其他学者的实验研究数据,得出计算铅铋物性的拟合公式。通过对比分析可知:拟合公式与已有定律推算公式趋向一致,吻合较好;且拟合公式更趋近实验值,精确度高,最大偏差不超过1%。     

液态铅铋合金湍流普朗特数及RANS模型优选

工程上常采用RANS湍流模型进行热工水力相关的数值模拟,然而液态铅铋合金（LBE）具有独特的热物性,常规湍流普朗特数模型和RANS湍流模型对其流动与传热模拟的适用性有待研究。为更准确地描述绕丝燃料组件内LBE的流动与换热过程,本文基于大涡模拟对湍流普朗特数模型和RANS湍流模型进行优选。首先,采用四种湍流普朗特数模型对绕丝燃料组件内LBE的流动与传热过程进行大涡模拟,对比分析实验数据和模拟结果并进行模型优选。基于优选的湍流普朗特数模型,评价RANS湍流模型对LBE数值模拟的适用性和准确性。结果表明,Cheng湍流普朗特数模型和SST k-ω模型对LBE流动与传热模拟的准确性和适用性最高。     

基于四方程模型的LBE环管湍流换热数值研究

为计算液态铅铋（LBE）在环管内不同加热环境下的湍流换热,基于开源计算流体力学程序OpenFOAM开发了四方程模型求解器4eqnFoam。将LBE在平板和圆管内的预测结果与直接数值模拟结果和实验结果进行对比,验证了求解器的有效性。基于该求解器,分别计算了LBE在外壁绝热内壁加热以及内外壁面等热流加热环管内不同雷诺数下的湍流换热量。结果表明：随着雷诺数的增加,两种加热条件下的无量纲温度脉动、雷诺热流、湍流热扩散作用增大,而平均湍流普朗特数减小;当雷诺数增加到一定程度时,平均湍流普朗特数变化不明显。基于4eqnFoam求解器,可为计算LBE热工水力现象提供更多参考。     

脉冲液体射流泵时均基本性能方程的数值研究

根据脉冲液体的动量方程和能量方程,推导出了脉冲液体射流泵时均基本性能方程及其有关系数的数学表达式,对脉冲液体射流泵的时均基本性能、动量修正系数和喉管进口函数进行了数值计算,并进行了相应的试验研究.将计算结果与试验结果对比,两者基本吻合.     

小型压水堆抑压特性试验与数值模拟研究

为了研究小型压水堆抑压系统的抑压效果,建立了小型安全壳抑压特性试验装置,开展了定流量和变流量混合气体排放实验,以研究气-水容积比和不可凝气体对抑压效果的影响。实验结果表明,气-水容积比在2～4.55范围内,随着气-水容积比的增大,抑压效果逐渐增强;混合气体中不可凝气体含量对抑压效果影响显著。对实验进行了数值模拟,模拟结果可以反映抑压试验的现象规律,但仍需进一步优化抑压冷凝相关模型以提高模拟精度。     

压缩机复杂管路压力脉动及管道振动研究

围绕往复式压缩机管道系统的振动及往复式压缩机的管道压力脉动问题,依据平面波动理论,采用转移矩阵和刚度矩阵计算出复杂管路的气柱固有频率和压力脉动.借助于有限元方法的离散思想,建立了往复式压缩机管道振动及应力分析的数学模型,提出了恰当的边界条件,利用基于有限元的管道分析软件CAESARⅡ对模型进行求解,获得了管道系统的振动模态结果.对比试验结果与计算结果发现,利用一维平面波动方程可以比较准确地计算出往复式压缩机管路的气柱固有频率、压力脉动.     

失水事故工况下主泵全特性数值分析

为研究核反应堆主冷却剂泵在失水事故工况下的全特性,通过三维软件Pro/E对核主泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε两方程及SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件(CFX)对核主泵全特性进行数值模拟计算,分析核反应堆主冷却剂泵的全特性曲线,并解释小流量出现驼峰现象的原因。结果表明:叶轮所受的扭矩主要来自于叶片所受的扭矩,前后盖板所受的扭矩对叶轮的影响很小。叶片所受的扭矩和轴向力的变化趋势和流量-扬程曲线变化规律有一定的相似性,三者之间可能有密切关系。     

脉冲液体射流泵装置性能试验研究

研究了脉冲液体射流泵装置性能随喷嘴出口断面与喉管断面的面积比、工作压力和脉冲参数的变化特点。研究表明:脉冲射流可显著提高射流泵装置的性能;面积比和脉冲参数是影响脉冲液体射流泵装置性能的决定因素,减小面积比或提高脉冲频率可显著提高射流泵装置的性能;脉冲液体射流泵装置的流量特性呈典型负线性特征,脉冲液体射流泵装置效率曲线呈抛物型,脉冲频率越高,射流泵装置最佳效率点向大流量比方向移动,将增大射流泵装置性能的高效区范围。     

蒸汽发生器传热管在泵致脉动压力载荷下的动力学响应研究

泵致脉动压力是核电站中引起主设备部件疲劳失效的主要原因之一。本文建立了蒸汽发生器传热管的泵致脉动压力载荷表达式,并建立不同弯曲半径的传热管有限元模型,对蒸汽发生器传热管在泵致脉动压力载荷下的动力学响应进行了研究。结果表明：34、64、94、114、124、144排传热管附近的频率、振型对泵致脉动压力最为敏感;包络泵致脉动压力作用下,最大应力出现在32排传热管上;传热管在泵致脉动压力载荷作用下,泵致脉动压力载荷的轴频频率对结构响应的贡献最大。本文分析结果为蒸汽发生器传热管在泵致脉动压力载荷下的磨损分析提供了参考。     

喷淋液滴在中低压饱和蒸汽环境下传热特性研究

本文以喷淋液滴在中低压饱和蒸汽环境下传热特性为工程背景,分析液滴初始动力学参数、环境蒸汽参数对液滴与蒸汽间传热特性的影响。计算结果表明,不同液滴初始速度下单位质量换热量随时间变化趋势基本一致,初始速度越大,换热系数越高,单位质量换热量也越大,液滴表面温度和平均温度达到饱和蒸汽环境温度的时间越短;液滴直径对单位质量换热量随时间变化趋势影响较为显著,液滴直径越大,单位质量换热量随时间降低的趋势逐渐变缓,液滴表面温度和平均温度达到饱和蒸汽环境温度的时间越长;饱和蒸汽压力越大,液滴表面温度和平均温度上升越快,但不同蒸汽压力下液滴表面温度或平均温度达到饱和温度的时间基本一致;不同液滴初始温度时,液滴表面温度、平均温度、单位质量换热量随时间变化基本一致。计算结果有助于优化工程实际中喷淋系统的设计。     

Study on Heat Transfer Characteristics of Spray Droplets under Medium and Low Pressure Saturated Steam Environment

The heat transfer characteristics of spray droplets under medium and low pressure saturated steam environment as the engineering background were investigated in this paper. The results show that the change trends of heat transfer per unit mass with time are basically the same under different initial droplet velocities. The higher initial velocity gives rise to the higher heat transfer coefficient and heat transfer per unit mass. The droplet diameter has a significant influence on the change trend of heat transfer per unit mass with time. The decreasing trend of heat transfer per unit mass decreases gradually with time, and the longer time will be taken for the droplet surface temperature and average temperature reaching to ambient temperature of saturated steam if the droplet diameter is larger. The higher saturated steam pressure gives rise to the more rapid increases of droplet surface temperature and average temperature. Under different steam pressures, the droplet surface temperature or average temperature reach to the saturation temperature nearly at the same time. The surface temperature, average temperature and heat transfer per unit mass change with time basically the same at different initial temperatures. The results are helpful to optimize the design of spray system in practice engineering.