单个浸没孔气泡动力学特性的数值模拟

In severe accidents of a nuclear power plant, the released radioactive aerosols can be removed by pool scrubbing effect. Two-phase numerical simulation of the pool scrubbing process is necessary. The boundary conditions at the bubble injection point need to be determined before using the two-phase CFD program. Based on the framework of Integration of Pool scrubbing Research to Enhance Source-term Calculations (IPRESCA) project and the volume of fluid (VOF) method, a numerical simulation of gas injected bubble dynamics from single submerged orifice was carried out. Bubble size, shape, and detachment frequency at the orifice were captured. Sensitivity analysis of the influence of bubble injection speed on bubble detachment frequency was carried out. The bubble centroid height was obtained by DBSCAN clustering algorithm, and the bubble rising velocity at different heights was calculated. The distribution of the mean void fraction along the z-axis direction and the distribution of mean void fraction and mean mixture velocity along the horizontal lines and radius in central plane at different height are given.     

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。     

过冷沸腾水中单汽泡成长的数值模拟

采用流体动力学程序ANSYS FLUENT中的流体体积法(VOF)计算二维条件下静止的过冷沸腾水中单汽泡的成长过程。相变过程可以通过在靠近汽-液交界面的网格的纳维斯托克斯方程中添加额外的质量源项和能量源项模拟,表面张力、汽泡与壁面之间的接触角以及汽泡底部液体层的蒸发也被考虑进来。将计算结果与实验结果对照进行验证,计算结果与实验结果符合较好;数值分析可得到一些实验中难以直接测量的物理参数,如温度场与速度场。     

基于微液层模型的单汽泡生长数值模拟研究

核态沸腾换热在传热传质方面有着重要的作用,其发生机理和传热传质过程仍是研究的重点。随着实验手段的提高,微液层模型得到了广泛的关注。通过对微液层中传热传质的分析,建立了微液层厚度与热流密度和气化率之间的关系。利用界面扩散法对汽液相界面进行追踪,并在汽泡与加热壁面之间构建微液层模型,研究在核态沸腾条件下,微液层的变化对汽泡生长和加热壁面温度分布的影响。结果表明,数值模拟得到的汽泡生长过程和加热壁面温度分布与实验结果吻合得很好,初步验证了模型的正确性。并通过数值模拟,进一步分析了汽泡生长过程中微液层、干性区域和汽泡底部半径的变化规律以及壁面温度的分布情况。     

钛中氦泡融合的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法模拟了金属钛中氦泡的融合,分析了氦泡融合对金属微结构的影响,对比了氦泡在金属块体内部与接近金属表面处融合的异同。研究表明:在金属块体内部,两氦泡的融合会在其周围诱发很多缺陷且范围逐渐扩大;直径均为1.77nm的两氦泡的融合会在二者周围形成位错环,位错环内金属原子的排列与基底的一致;两氦泡发生融合后由哑铃状向椭球形演化。在接近金属表面处,由氦泡融合诱发的缺陷易于向金属表面移动,氦泡周围的金属易于向晶体结构恢复;两氦泡发生融合后由哑铃状向半球形演化。     

Simulation of a Single Bubble Rising with Hybrid Particle-Mesh Method

A computational study of the dynamics on a gas bubble rising in a viscous liquid by a hybrid particle-mesh method is presented. The hybrid particle-mesh method has been developed for the simulation of a two-phase flow. One phase is represented by moving particles and the other phase is defined on a stationary mesh. The flow field is discretized by conservative finite volume approximation on the stationary mesh, and the interface is automatically captured by the distribution of particles moving through the stationary mesh. The moving particles are calculated by Moving Particle Semi-implicit (MPS) method. The effect of surface tension is evaluated by the continuum surface force model. In this study, we simulate the motion of a gas bubble rising in a viscous liquid. The buoyancy driven motion of the bubble in a wide range of flow regimes is simulated successfully by the present method. The deforming interface of the bubble is captured effectively by the moving particles although significant density and viscosity differences exist. By comparing the simulation results with experimental ones, we approve the possibility of applying the hybrid method to the two-phase flow with particles representing the gas phase and mesh representing the liquid phase.     

晃荡对气泡上升运动影响的数值研究

海洋条件中风浪等因素会导致船舶上存在自由液面的容器产生剧烈的晃荡运动。为了分析晃荡条件下液体中的气泡行为特性,在计算流体动力学软件Fluent平台下运用流体体积函数法模型,对晃荡条件下气泡在液体中的上升过程进行数值模拟。计算结果显示,晃荡条件下气泡呈周期性摆动上升,并伴随着聚合与分离现象。分析表明,晃荡对气泡运动行为特性产生的影响不可忽视,剧烈的晃荡运动会影响气泡的脱离尺寸,在加速部分气泡分离的同时阻碍部分气泡的运动而导致气泡聚合;晃荡运动还会致使气泡在水平方向偏离比较大的位移。     

流动泡核沸腾中汽泡行为的MPS数值模拟

采用移动粒子半隐式（MPS）方法分别对加热面水平、竖直和45°倾斜放置时流动泡核沸腾中1个汽泡的成长至脱离过程进行了二维数值模拟,并将数值模拟结果与实验结果进行了对比。结果表明：汽泡的形状与成长速率的数值模拟结果与实验结果相符合,数值模拟成功地预测了实验中观察到的汽泡脱离前的滑移现象。