供料条件对气体离心机分离性能影响的数值研究

采用有限差分方法离散线性化的Navier-Stokes方程组,研究不同供料条件对离心机内部流场和分离性能的影响,得到了不同供料条件下的流场,采用改进的径向平均法求解丰度方程得到单机的分离功率,绘制了分离功率随供料条件各参数的变化曲线。计算结果表明:不同供料条件下,离心机内部流场和分离性能差别明显,供料位置、轴向速度扰动量和角向速度扰动量是供料气流影响流场和分离性能的主要参数;对给定离心机模型存在最佳的供料位置和角度。     

基于径向平均法的离心机过渡过程的丰度方程

分析气体离心机动态过程中的分离情况需要描述动态过程物质输运的丰度方程.为避免大量数值计算,方程最好简单且能够反映关键的分离过程.基于径向平均法,从非平衡态物质输运方程推导描述离心机过渡过程中丰度轴向分布的微分方程.应用变密度等温刚体模型和单纯轴向流假设,对丰度方程进一步简化和分析.简化方程解决了由变密度等温刚体模型引入...     

供料位置对离心机供料射流流场影响的数值模拟

为研究供料口位置对离心机供料射流流场的影响,采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法对离心机中心射流区域进行模拟。选择Iguassu离心机模型和变径硬球碰撞模型,得到了不同的轴向和径向供料位置下径向供料模型的供料射流流场参数分布情况。通过对模拟结果进行分析可得：在径向供料条件下,供料口附近区域的流场受供料条件的影响显著。由于供料射流的膨胀作用,导致了供料口附近低温区的出现。在靠近出流边界处,由于较高的角向速度,形成较大的压力梯度,使气体的径向速度降低,导致温度明显升高。轴向位置的变化导致流体参数的轴向平移。而随着供料口径向位置的增大,供料口附近的膨胀范围减小,低温区减弱,即该区域的最低温度升高。而近出流边界处,随供料口径向位置的增大,温度相应降低,径向速度同时降低。     

气体离心机非线性流场计算与分离性能研究

为更好地分析挡板与取料器对分离性能的影响,计算并分析离心机内部非线性流场非常必要。本文使用有限差分法对离心机内部强旋流场进行计算,采用参数优化的下降牛顿法求解非线性稳态Navier-Stokes流体方程组,计算模型为Iguassu模型。得到离心机流场结果后,用非线性丰度方程组数值求解来分析离心机的分离性能。驱动参数对分离性能的影响分析及线性与非线性解的比较再次表明了非线性流场计算的必要性。从贫料挡板附近内部流场能明显看出线性解与非线性解的区别,而这也造成了分离性能的差距。     

气体离心机流场模拟中源汇的耦合

用源汇模拟同位素分离气体离心机流场的供取料驱动和机械驱动是离心机流场计算中的方法之一。通过重新推导流体动力学方程组中的源汇表达式,得到不同的表达式。推导出的表达式反映了源汇之间的互相关联以及流场与源汇之间的互相影响,即源汇耦合,这些在以往的计算过程中均被忽略。由于考虑了源汇耦合,使得计算过程中部分源汇成为未知量,需在流场求解过程中予以确定。通过比较有无考虑源汇耦合计算得到的离心机流场可知,不考虑源汇耦合得到的结果虽能反映出分离室中流动基本规律,但数值上存在差异,得到的分离功也有较大差别。因此,计算过程中应考虑源汇的耦合。     

波纹管对气体离心机流场影响的数值研究

波纹管是超临界气体离心机的核心部件,可改变转子流场的空间结构.为了研究波纹管对气体离心机流场的影响,在单向关联水力学模型和Iguassu离心机模型基础上,在交错网格上离散二维N-S方程组,并使用同伦算法和牛顿迭代法求解,对包含内、外波纹管的流场分别进行数值模拟.结果表明,外波纹管对环流几乎没有影响,但在不改变贫取料压强...     

气体离心机贫料挡板结构参数优化的数值研究

采用有限差分方法离散线性化的Navier-Stokes方程组,并用追赶法求解线性代数方程组,得到了离心机内部流场分布。采用改进的径向平均法求解丰度方程,得到单机分离功率的数值结果。以分离功率为目标函数,选用序列二次规划算法,结合iSight软件的优化功能对离心机贫料挡板的结构参数进行优化计算。计算结果表明：针对特定离心机模型,贫料挡板结构参数优化后可以改善内部环流,提高分离功率3.93%;离心机内部流场对挡板结构参数的变化响应敏感,其机理复杂,有待深入研究。     

参数可调离心级联的静态特征根及扰动传播分析

离心级联水力学特征根表征了级联的重要特性。本文借鉴扩散级联水力学中使用的方法,对参数可调离心级联进行研究,求解各级流体参数完全相同情况下的扰动方程,得到了离心级联各级流体参数完全相同时水力学的静态特征根。由于离心机轻馏分流量与轻馏分出口处压强无关,重馏分处于音速流状态,离心级联只有2个静态特征根,Z1是级联的主静态特征根,Z2是由供取料引起的。供料管道阻力系数、调节装置放大倍数等因素均会影响主静态特征根Z1的数值。Z1小于1时,供料管道阻力系数增大,Z1增大,调节装置放大倍数增大到一定程度后,对Z1的影响已很小。最后,利用解析求解和数值计算两种方法计算了级联出现扰动后的状态参数分布。     

自然循环单相流动不稳定性理论分析

从理论上研究了单相自然循环流动的不稳定性，通过将自然循环回路中流体的动量方程，能量方程无量纲化，导出影响自然循环流动的无量纲数。将流体温度和流量分解为稳态及扰动部分，代入动量、能量方程以得出扰动方程，求解扰动方程以找出稳定区及不稳定区的边界线和临界点。本文还研究了自然循环回路中冷、热源中心点间高度差的变化对稳定性的影响。     

考虑供料射流的离心机二维全流场模拟

为研究供料射流对离心机分离功率的影响,采用DSMC（DirectSimulationMonte-Carlo）方法和基于Navier-Stokes方程的CFD方法的耦合迭代计算来模拟离心机全流场。在稀薄气体流动区域使用DSMC计算,在连续流动区域使用CFD计算。运用耦合计算方法模拟考虑供料射流的二维轴对称流动模型。计算得到了不同流域中的流动分布,并得到了相应的分离功。计算结果表明：耦合计算方法对二维离心机全流场的计算是有效的。     

Flow Induced Vibrations in Gas Tube Assembly of Centrifuge

A centrifuge essentially consists of a rotor rotating at very high speed. Gas tube assembly, located at the center of the rotor, is used to introduce feed gas into the rotor and remove product and waste streams from it. The gas tube assembly is thus a static component, the product and waste scoops of which are lying in the high pressure region of a fluid rotating at very high speed. This can cause flow induced vibrations in the gas tube assembly. Such vibrations affect not only the mechanical stability of the gas tube assembly but may also reduce the separative power of the centrifuge. In a cascade, if some of the centrifuges have gas tube vibration, then cascade performance will be affected.

A theoretical analysis of the effect of waste tube vibrations on product and waste flow rates and pressures in the centrifuge is presented. A simple stage consisting of two centrifuges, in which one has tube vibration, is considered for this purpose. The results are compared with experiment. It is shown that waste tube vibration generates oscillations in waste and product flow rates that are observable outside the centrifuge.     

级联水力学动态仿真模型研究及应用

级联的流体状态是影响级联分离效果和运行安全的重要因素。为开展级联动态水力学研究,针对层架型级联系统,利用各模块仿真模型搭建了级联动态仿真系统并对部分动态过程进行了模拟,通过与实际运行数据对比分析,确定了主机轻馏分流量方程及压强调节器动态调节方程的具体形式。计算结果表明,利用研究得到的系统仿真模型进行仿真模拟,所得到的系统参数变化与实际运行数据符合较好,模拟结果合理可信,所得仿真模型可用于其他级联系统的仿真研究,由此得到的级联各设计参数可作为实际级联调整和设计的参考依据。同时,利用研究所得的系统仿真模型,针对级联系统中可能存在的故障情况进行了模拟验证,仿真结果与实际运行数据符合良好,从而以仿真模拟的手段验证了系统中存在的问题。     

刚性离心级联水力学特性分析

为了解刚性级联的水力学性能,本文求解了重馏分管道安装声速孔板的刚性级联的扰动方程,得到了刚性级联的静态特征根。刚性级联仅2个静态特征根Z₁和Z₂,Z₁等于1,Z₂为级联的主静态特征根,用于判断级联的静态稳定性。离心机工作在额定工况附近时,刚性级联主静态特征根大于1。某级出现损机后,级联的流体参数发生变化,导致级联分离功率下降。利用绝对变化量进行求解,可得到流量变化量的解析解,解析解与数值解存在一定差异,但具有相同的变化趋势,可利用解析解预测级联受到扰动后的流体状态参数变化趋势。由于扰动向贫料方向传播,虽然主静态特征根大于1,级联仍能保持稳定。     

Flow in Rotating Cylinder of a Gas Centrifuge

Thermal convection and weak forced flows in a rotating cylinder were studied theoretically to find the mass velocity distributions in a gas centrifuge. Compressibility of the gas is taken into account in the form of a density stratification in the radial direction. First of all, a scaling analysis was made to verify the dominance of Coriolis force in the field of flow. The result of this analysis indicated that the body of the fluid in the centrifuge is composed of inviscid cores separated by a viscous layer concentric to the axis of rotation, and enveloped by other viscous layers lining the side and end faces of the cylinder. The transport of the gas from the feed ports to the discharge ports is made through these viscous layers.

The thermal convection has its largest component near the side wall in the form of a recirculating flow, and its pattern is controlled by the temperature distribution of the wall. These theoretical results were verified in part by an experiment devised to permit visual observation of the air flow in a rotating cylinder.     

带附加供料离心净化级联的优化

通过向离心级联附供载荷气体实现微量杂质的净化时,为充分发挥级联性能,提升级联经济性,需对带附加供料离心净化级联进行优化。本文根据现有离心机模型和相关单机实验结果,以级联总离心机数最少为优化目标,以级联长度、各级离心机数和重馏分压强及载荷气体供料量为优化变量,利用二进制编码遗传算法完成了离心净化级联的优化计算,并通过回收铀浓缩产品中~(99) Tc的去除和高纯WF_6制备中杂质的净化两个算例的计算验证了优化算法的适用性。计算结果表明,遗传算法可有效地求解离心净化级联的优化问题,具有较好的适用性。     

以正辛烷为介质离心分离碳同位素

以正辛烷(C₈H₁₈)为分离介质,利用离心机进行了一系列单机分离实验,研究了其单机分离性能。通过质谱分析,得到了不同供料压强、滞留量下的基本全分离系数、分流比等单机参数：基本全分离系数接近或大于1.10,最高可达1.13。在单机实验数据的基础上,采用相对丰度匹配级联（MARC）的计算模型,对正辛烷离心分离级联的参数进行了初步估算,估算结果显示,采用联级分离可将¹³C浓缩至约11%。