熔盐堆中气泡分离器内部流场的数值模拟

气泡分离器是熔盐堆脱气系统中不可或缺的关键设备之一，通过离心分离的方式去除反应堆中氙等裂变气体及其载气。本文利用CFD软件Fluent，采用瞬态的二次压应力雷诺应力模型，对气泡分离器内部液相流场进行了数值模拟。分析了边界条件变化对分离器分离特性的影响。结果表明：系统压力对切向速度分布、压力分布及轴向零速包络面的结构均有较大影响，进而影响设备的分离特性。另外，对比计算结果与实验现象，也可看出，增加出口压力有利于气液分离。     

熔盐堆旋叶式气水分离器工作特性数值分析

本文以熔盐堆脱气系统中旋叶式气泡分离器为研究对象,利用数值分析软件Fluent对分离器内的流场进行了数值模拟,并分析了其工作原理和影响因素。首先,不同的湍流模型计算结果与实验现象的对比分析表明,雷诺应力模型在不同工况下计算得到的流场分布与实验现象符合最好。在确定适合用于模拟旋叶式气泡分离器内流场的计算模型基础上,对分离器内流场作进一步的计算分析。结果表明,水在流量20 m3·h-1条件下,流经分离器搅浑叶片后,会形成一种中心低速低压的旋转流动,且在横截面中心区域附近存在很大的径向压降梯度,如果水流中存在少量气泡,便会在压力梯度的作用下,流向分离器中心,汇聚形成稳定的气芯,从而实现对流体中气相的连续分离。     

钍基熔盐堆旋叶式气水分离器工作原理分析

通过实验研究和数值模拟的方法对熔盐堆脱气系统中旋叶式气泡分离器的工作原理进行研究;对照实验现象和数值模拟得到的流场分布,对气泡汇集、聚合和最终气芯的形成过程进行分析。结果表明:水在搅浑叶片的导流作用下会形成一种存在较大径向压力梯度的旋转流动,且径向压力梯度提供的向心力大于流体旋转运动产生的离心力,使得水流中的气泡流向分离器中心;分离器中心区域的径向压力梯度很大且气泡相对运动速度很低,满足气泡发生聚合的条件,因而汇集到中心的气泡会聚合并最终形成稳定的气芯,从而实现对流体中气相的连续分离。     

溶液堆气泡及瞬态中子学模型

溶液堆的燃料（UO₂(NO₃)₂水溶液）具有液体形态,兼作核燃料和慢化剂,裂变碎片与水分子碰撞产生辐照裂解气体气泡,气泡在燃料中存在和运动使得溶液堆的瞬态中子学模拟十分困难。本研究首先基于稳态的物理热工耦合方法对溶液堆进行模拟,对模拟结果体现的气泡行为特征进行提炼,建立溶液堆气泡数值模型,再将该气泡模型应用于溶液堆瞬态中子学分析程序中,使用该程序对瞬态试验进行模拟并与测量结果进行比较,发现气泡行为特征与耦合方法的模拟结果一致。     

文丘里式气泡发生器气泡碎化特性研究

熔盐堆在运行过程中须不断地去除氙等气体裂变产物。熔盐堆除气系统中气泡发生器的作用是通过向回路中注入一定量的直径为0.5 mm的小气泡,在扩散作用下吸收熔盐中的氙,最终气泡被分离出来,达到除氙的目的。在橡树岭国家实验室设计的基础上,本文为钍基熔盐研究堆设计气泡发生器,并在专门建造的水回路中对其工作特性进行了可视化研究。利用高速摄像系统跟踪气泡的运动和碎化过程,分析气液相流速对碎化后气泡尺寸的影响。结果表明：在实验条件下,当气体流量一定时,气泡尺寸随液体流量的增大而减小;当液体流量一定时,气泡尺寸随气体流量的增加而增大。     

不同背压下旋流式气液分离器工作特性

以一种适用于熔盐堆脱气系统的旋流式气液分离器为研究对象,利用流动可视化技术,对分离器气芯的形成进行了深入研究。研究结果表明,分离器的分离效率与气芯密切相关,分离器内形成稳定气芯就可实现对流体中气相的连续分离,分离器的背压对气芯的形成有重要影响。通过高速摄像技术记录了气芯的演变过程,气芯的演变主要分为负压、平衡、微正压和稳定四个阶段,不同的旋流数S和雷诺数Re下均可经过四个阶段最终形成稳定气芯,只是对应临界背压不同,分离器的经济性不同。利用计算流体动力学模拟软件Fluent模拟了背压对气芯形成过程的影响,计算结果与实验结论基本一致,背压越大,气芯越稳定,但分离器分流比越高,经济性越差,背压超过一定值时,贯穿分离器的气芯将逐渐被压缩变短。     

涡流式分离器气液两相分离数值模拟研究

对于气液两相分离,传统分离器或体积过大,或旋流强度低,因此考虑提出一种新式的涡流式分离器。利用涡流二极管逆向流动形成强度较高旋流的特点,在旋流腔上方加入一根支管,从切向入口进入的两相流由于密度差和旋流的作用,气相会聚集在中心由于浮力作用从上支管流出分离器,液相会分布在四周由于重力作用从下支管流出分离器,从而实现两相分离。采用数值模拟的方式分别对不同旋流腔尺寸以及出口形状的分离器进行计算,模拟结果表明,在进口流量为0.5 t/h、入口含气率1%～5%工况下,控制底流口压力和入口相同,溢流口与入口压差在80～90 kPa范围内,分离器对粒径在50～100μm的气泡分离效率可以达到90%以上。     

氟锂铍熔盐热中子散射效应对熔盐堆中子学性能的影响

氟锂铍(FLiBe)熔盐作为液态熔盐堆的冷却剂和载体盐，具有一定的慢化性能，其热中子散射数据影响熔盐堆的中子学性能，进而影响熔盐堆物理设计和安全运行。基于通用蒙特卡罗粒子输运程序分析了液态FLiBe熔盐的热中子散射数据对65 MW熔盐堆堆芯中子能谱、不同能谱下有效增殖因数k_eff、核素反应率、温度反应性系数等中子学性能的影响。研究结果表明：考虑FLiBe熔盐热散射效应，堆芯中子能谱变硬，导致²³⁵U裂变反应率和k_eff变小，燃料的温度反应性系数中多普勒系数减小0.28×10^-5 K^-1，而密度反应性系数几乎无变化。当堆芯由热谱转变为相对较快的中子能谱时，FLiBe熔盐热散射效应导致²³⁵U裂变率减少的变化量降低，k_eff的下降幅度从9.2×10^-4变为2×10^-4。因此，熔盐堆堆芯物理计算需开展FLiBe熔盐的热中子散射数据影响的量化。     

熔盐堆物理热工耦合程序开发及验证分析

熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)是第四代反应堆6种堆型中唯一的液态燃料反应堆,与固态燃料-液体冷却剂反应堆相比,原理上有较大不同。在熔盐堆中,流动的熔盐既是燃料又是冷却剂与慢化剂,中子物理学与热工水力学相互耦合;由于熔盐的流动性,缓发中子先驱核会随燃料流至堆芯外衰变,造成缓发中子的丢失,导致堆芯反应性降低。正是由于熔盐堆的这些新特性,造成熔盐堆内缓发中子先驱核、温度等参数变化与固态燃料反应堆有所不同,需要研究熔盐堆在各种工况下的相关物理参数变化。本文主要工作是考虑缓发中子先驱核的流动性对熔盐堆的影响,研究适用于熔盐堆的二维圆柱几何时空中子动力学程序及与之耦合的热工水力学程序;利用该程序对熔盐堆中子物理学和热工水力学进行耦合计算,验证熔盐堆相关实验数据;并且计算了熔盐堆无保护启停泵及堆芯入口温度过冷过热工况,用于分析熔盐堆的安全特性。计算结果表明,程序能够对熔盐反应堆实验(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE)的相关实验数据进行较好的模拟计算,并且验证了熔盐堆的固有安全性。     

252Cf自发裂变谱形对中子反射实验数值模拟的影响

针对裂变源中子反射实验中涉及到的中子源能谱问题,选取两套用公式拟合、被普遍认可的252Cf自发裂变能谱,分别将其应用于该类实验的数值模拟中。对实验测点的中子注量及裂变反应率进行了对比研究,结果表明,相对于Maxwell谱,Watt谱能更好地与实验结果符合。     

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。     

新型旋叶分离器分离特性与机理研究

为定量地获得熔盐反应堆旋叶分离器中气泡的分离行为,采用计算流体力学（CFD）方法获得了分离器液相流场分布,基于涡旋模型耦合相间作用力的气泡分离模型开发了气泡运动的数值计算程序,快速预测了分离器内熔盐介质中气泡的临界分离直径。通过对气泡受力的量化,阐述了气泡的分离机理。分析表明,气泡受到的相间作用力的大小与其运动到分离器内不同半径位置密切相关;气泡在轴向上受到的附加质量力分力和曳力分力决定着气泡分离长度;气泡在径向上受到的压力梯度力、升力与曳力、附加质量力相平衡时,其不能再向心运动进入气芯被捕获分离。      

两级旋风式汽水分离器的分离性能研究

在研究国内外相关资料的基础上,设计了一种两级旋风分离器结构并针对该结构的分离性能进行了详细的数值模拟研究:依据两级旋风式汽水分离器的结构建立计算分析模型,采用数值模拟分析计算了汽水分离器的分离性能,研究不同入口速度、不同湿度对分离器分离特性的影响,搭建了气-水冷态试验回路对模型进行了验证。分析结果表明数值模拟计算结果与冷态试验结果趋势一致,分离效率计算结果偏差小;设计工况中,分离器总体分离效率优于99.5%;一级分离器适用于粗分离,其分离效率随入口湿度和速度的增大而减小;二级分离器适用于小液滴分离,其分离效率与入口速度呈正相关,与入口湿度呈非线性关系。      

Numerical approach on the performance prediction of a gas–liquid separator for TMSR

In this paper, the numerical simulation for the gas–liquid flow in a separator applied in the fission gas removal system for thorium molten salt reactor was investigated. The numerical model was established in the frame of Eulerian–Eulerian approach, in which the modeling of the forces acting on the bubbles was introduced. Based on the model, numerical simulations with three flow rates were carried out. Three key parameters (the pressure loss, the separation length, the liquid entrainment ratio) concerned with the separation performance were compared between the numerical results and the experimental data, the results indicate that the calculated results agree well with the experimental data. Hence, the numerical approach shows a promising tool for the performance prediction and the optimization of the gas–liquid separator.     

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。     

Modified two-fluid model for the two-group interfacial area transport equation

This paper presents a modified two-fluid model that is ready to be applied in the approach of the two-group interfacial area transport equation. The two-group interfacial area transport equation was developed to provide a mechanistic constitutive relation for the interfacial area concentration in the two-fluid model. In the two-group transport equation, bubbles are categorized into two groups: spherical/distorted bubbles as Group 1 while cap/slug/churn-turbulent bubbles as Group 2. Therefore, this transport equation can be employed in the flow regimes spanning from bubbly, cap bubbly, slug to churn-turbulent flows. However, the introduction of the two groups of bubbles requires two gas velocity fields. Yet it is not practical to solve two momentum equations for the gas phase alone. In the current modified two-fluid model, a simplified approach is proposed. The momentum equation for the averaged velocity of both Group-1 and Group-2 bubbles is retained. By doing so, the velocity difference between Group-1 and Group-2 bubbles needs to be determined. This may be made either based on simplified momentum equations for both Group-1 and Group-2 bubbles or by a modified drift-flux model.     

疏水孔对旋叶分离器分离效率影响研究

为提高旋叶分离器中气-液混合物的分离效率,针对内筒具有正三角形排布疏水孔的旋叶分离器开展空气-水性能试验和计算流体动力学（CFD）数值模拟研究,分析每一排疏水孔分离水比例变化规律和疏水孔布置高度对分离性能的影响。研究结果表明,当空气表观速度较低（≤14.4 m/s）时,每一排疏水孔分离水比例随着内筒高度的升高呈先下降后增加的趋势;当空气表观速度较大（>14.4 m/s）时,每一排疏水孔分离水比例随内筒高度升高呈单调下降的趋势。研究对比了第1排疏水孔布置距离旋叶分别是0.8倍、1.0倍、1.2倍内筒直径3种位置时分离性能的变化, 结果表明当空气表观速度较低（< 12.9 m/s）时,疏水孔位于1.2倍内筒直径位置时旋叶分离效率最高;空气表观速度较高（≥12.9 m/s）时,疏水孔位于0.8倍内筒直径位置时旋叶分离效率最高。      

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。      

波形板汽水分离器内分离效率的影响因素分析

基于壁面液膜模型,进行无钩波形板汽水分离器内液膜生成情况的三维数值模拟,模拟中采用Realizable k-ε模型和壁面液膜模型对波形板内的气相和液相进行数值模拟计算,根据模拟结果分析波形板内的分离效率。研究结果表明：在不改变波形板的结构和不考虑二次携带的前提下,随进口速度或液滴直径的增加,壁面形成液膜面积和高度增加,分离效率也随之提高。当进口速度和液滴直径一定时,液膜高度和面积随蒸汽湿度的增加呈先增加后减小的趋势,当湿度达到10%时,液膜高度和面积达到最大,分离效率最佳。