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。     

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。      

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。     

裂变气体分离器气泡分离轨迹的数值模拟

钍基熔盐堆是我国重点开发的第四代核反应堆之一,其裂变反应产生的中子俘获截面大的Kr、Xe等裂变气体以微气泡的形式存在于熔盐冷却剂中,对裂变气体的分离是提高熔盐堆中子经济性、实现燃料深燃耗的重要环节。为定量地获得分离器内气泡的分离行为,采用数值模拟和理论建模相结合的方法,得到旋流场的流场分布特征;通过建立旋流场中气泡运动控制方程,分析并计算不同旋流度和气泡直径下的分离长度。与实验数据对比发现,数值模拟结果和实验数据吻合良好,表明数值模拟方法可以用于气液分离器的优化设计。     

竖直圆管内泡状流界面参数分布特性

采用双头光纤探针对内径为50 mm竖直圆管内空气-水两相泡状流界面参数径向分布特性进行了实验研究。气液两相表观速度变化范围分别为0.004～0.05 m/s和0.071～0.283 m/s。结果表明,竖直管内向上泡状流局部界面面积浓度（IAC）、空泡份额及气泡频率径向分布相类似,即气相流速较低时管道中间很大范围内以上3个局部界面参数几乎恒定,近壁区迅速下降到较低值;随气相流速的增加,局部界面参数在管道中心出现峰值。本实验中气泡聚合与破碎现象较少发生,索特平均直径沿径向近似均匀分布,且随气液两相流速变化很小。通过气泡横向受力解释了局部界面参数分布的影响机理。     

基于OpenFOAM的铅基快堆流体通道内两相流研究

为研究铅基快堆中铅/铅铋的特殊热物性导致的在两相流情况下的热工水力特性,模拟流体通道中空泡存在对堆芯的输热能力以及安全性的影响,本文采用开源的CFD计算软件OpenFOAM,应用基于VOF方法的数值模拟,构建了铅基快堆中常见的三角形通道模型,通过与子通道程序的验证和单相条件下实验的校核,检验了所用代码的准确性,并对堆内冷却剂通道的两相流进行了模拟。模拟结果表明：随着两相流流速的增大,冷却剂出口温度降低。气液两相流在内通道流动过程中,气相基本在通道内部流动。随着轴向高度的升高,气泡会在内通道的中心区域聚合;燃料组件的角通道是气泡含量多的区域,会造成局部传热恶化,导致组件烧毁。     

单个浸没孔气泡动力学特性的数值模拟

核电厂发生严重事故时可利用池洗效应去除泄漏的放射性气溶胶。对池洗过程进行两相数值模拟研究是有必要的，在使用两相计算流体力学（CFD）程序计算之前需要确定气泡注入点处的边界条件。基于整合池洗研究（IPRESCA）项目框架和流体体积法（VOF），对单个浸没孔气泡动力学特性进行数值模拟研究，捕捉浸没孔处气泡的大小、形状和脱离频率，并对气泡注入速度对气泡脱离频率的影响进行敏感性分析。利用DBSCAN聚类算法获得了气泡质心高度，并计算得到了不同高度的气泡上升速度。给出了平均空泡份额沿z轴方向的分布，以及平均空泡份额和平均混合速度在不同高度平面沿水平及径向的分布。      

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。     

流动沸腾的格子Boltzmann方法模拟

采用新的描述气-液相变过程的格子Boltzmann理论模型对大空间和水平管内流动沸腾现象进行模拟。观察到气泡随时间的变化不断长大,并在浮力和流体运动作用力影响下脱离壁面,以及气泡在液相上升过程发生碰撞、聚合等现象。进一步研究重力对水平管内各种流型的影响及水平方向加速度对大空间流动沸腾的影响,验证了该模型对复杂相变问题模拟的可行性。     

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。     

加速器驱动洁净能系统中的燃耗行为分析

研究了加速器驱动洁净核能系统（ADS）次临界反应堆内核素的演化。分析结果表明：ADS具有嬗变长寿命核废物的能力。从快堆和热堆的比较可知,ADS的快堆具有输出功率大、长寿命超铀放射性废物的累积水平低、裂变产物对反应堆反应性和能量增益影响小等优点。这些优点在利用U－Pu燃料循环的次临界堆中十分明显。对于利用Th-U燃料循环的次临界堆,热堆和快堆都是可以工作的;而对于U－Pu燃料循环的系统,快堆则是较好的选择。