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。     

文丘里式气泡发生器渐扩段内单气泡输运过程研究

文丘里式气泡发生器渐扩段的流场结构、流动参数等对气泡制备性能起关键作用,因此,对具有矩形截面的文丘里通道渐扩段区域单气泡输运过程进行了可视化研究。分析发现,渐扩段气泡剧烈减速及变形过程对气泡最终的断裂和破碎起关键作用。气泡的减速过程虽只持续数ms时间,依然呈现加速减速和降速减缓两个明显阶段;气泡旋转过程呈现相似的变化规律。在液体流量2.4～6.9 m³/h范围内,对应最大旋转速度可达900～3 000 rad/s。气泡旋转过程持续时间较减速过程稍长,气泡最大旋转速度的位置出现在最大减速加速度位置的下游约2 mm处;液体流量和气泡尺寸对气泡旋转和变形过程有明显影响,液体流量越大或气泡尺寸越小,气泡旋转过程越剧烈,且旋转速度在更短距离内达到最大值;增大液体流量在一定范围内加剧了气泡的拉伸变形。这些可视化研究结果,为进一步揭示文丘里气泡发生装置内气泡的碎化机制、完善数值分析模型、优化设计等提供参考和帮助。     

文丘里式气泡发生器工作特性分析

气泡发生器是钍基熔盐堆脱气系统的关键部件,其功用为将载气碎化成尺寸均匀的小气泡。本文在脱气系统水实验回路实验研究基础上,采用数值模拟方法,应用SIMPLEC算法对标准的k-ε湍流模型和多相流混合模型进行耦合求解,分析了沿气泡发生器流动方向的气液两相流场速度变化、压力变化、湍动能分布规律。沿流向的速度分布表明,气相从喉部开始沿壁面流动,包围位于中心区域的水相,气相速度在扩张段入口处明显降低,速度梯度的变化形成剪切,使得气相破碎、分裂;压力分布表明,在气泡发生器的扩张段入口附近出现了压力梯度的峰值,与实验中测得的气泡集中碎化的位置相近,说明压力的迅速回升可能加速了气泡的碎化;湍动能分布表明,扩张段出口湍动能相对较大,说明此处气液两相能量交换强烈,产生强烈的剪切应力,使气液两相彼此剪切、破碎。以上结果说明,扩张端入口处由于较大的速度梯度及湍动能峰值,导致产生巨大的剪切应力,使气泡出现集中破裂现象。     

文丘里气泡发生器内气液两相流流型及压降实验研究

针对一类文丘里气泡发生器内气液两相流动的流型及压降开展了实验研究。通过可视化实验观测区分了气泡发生器内3种基本流型,包括泡状流、弹状流和柱状流。实验发现,随着两相流从弹状流转变为柱状流,气泡发生器内压降迅速增大。通过对压力信号的时频分析,证明气泡发生器出口位置最有利于压力信号的在线监测。从压力信号中提取了与流型转变紧密相关的概率密度函数相对峰度和功率谱密度差异系数,并分别应用于弹状流-柱状流和泡状流-弹状流流型转变的识别。由于已有的压降模型无法准确预测文丘里气泡发生器的整体压降,为此本研究提出了新的压降预测方法。新关联式考虑了气泡发生器内部分单液相流过程以及流型转变对压降预测的影响,预测值与实验测量结果吻合较好,相对均方根偏差约为10.74%。     

低含气率条件下文丘里管气泡发生器内气泡碎裂过程研究

借助影像处理软件PFV和图像处理软件Image-Pro Plus,详细分析了高速摄像仪获取的文丘里管气泡发生器内气泡的输运及破碎过程。研究表明:文丘里管气泡发生器内气泡的破碎过程存在2个明显的不同阶段;气泡在扩张段入口处存在明显的减速过程,且在减速过程中存在3种主要的形变过程;气泡的减速过程对气泡的碎化存在重要影响;气泡在扩张段的迅速减速,造成了气-液之间的运动速度差迅速加大,极大强化了气-液之间的相互作用,致使在扩张段较大直径的气泡迅速碎裂成大量的微小气泡。     

文丘里式气泡发生器渐扩段内单气泡输运过程研究

文丘里式气泡发生器渐扩段的流场结构、流动参数等对气泡制备性能起关键作用,因此,对具有矩形截面的文丘里通道渐扩段区域单气泡输运过程进行了可视化研究。分析发现,渐扩段气泡剧烈减速及变形过程对气泡最终的断裂和破碎起关键作用。气泡的减速过程虽只持续数ms时间,依然呈现加速减速和降速减缓两个明显阶段;气泡旋转过程呈现相似的变化规律。在液体流量2.4～6.9 m~3/h范围内,对应最大旋转速度可达900～3 000 rad/s。气泡旋转过程持续时间较减速过程稍长,气泡最大旋转速度的位置出现在最大减速加速度位置的下游约2 mm处;液体流量和气泡尺寸对气泡旋转和变形过程有明显影响,液体流量越大或气泡尺寸越小,气泡旋转过程越剧烈,且旋转速度在更短距离内达到最大值;增大液体流量在一定范围内加剧了气泡的拉伸变形。这些可视化研究结果,为进一步揭示文丘里气泡发生装置内气泡的碎化机制、完善数值分析模型、优化设计等提供参考和帮助。     

较大管径中两相流动漂移流模型研究

漂移流模型作为一种简单实用的模型,在反应堆热工水力及安全分析,特别是在空泡份额的计算方面,应用非常广泛。针对不同的通道及流型,研究者提出了多种基于漂移流模型的计算方法。通过较大通道中两相流动过程的实验研究,对5种空泡份额计算模型进行评价分析。结果表明,基于常规通道的Hibiki-Ishii模型与实验值吻合较好,平均相对误差为14.1%。结合对气泡运动过程的研究,发现在〈J_g〉β<0.027区,分布参数C₀<1,据此,给出了在较大管径通道中计算精度更高的模型关系式。     

倾斜圆管内泡状流空泡份额特性实验研究

采用光纤探针测量方法对倾斜圆管(内径为50 mm)内空气-水两相泡状流空泡份额分布特性进行实验研究。结果表明,截面平均空泡份额随倾斜角度的增加而减小,倾斜角度大于5°时减小速率明显减慢;竖直条件下空泡份额径向分布呈"马鞍形",即空泡份额除在近壁区出现峰值然后迅速降低到最小值外,在其他区域几乎不随位置发生变化;倾斜条件下气泡明显向上壁面聚集,中心线上方近壁区空泡份额峰值增加,中心线下方近壁区空泡份额峰值被削弱,倾斜角度较大时甚至消失。     

Development of drift–flux correlation for predicting void fraction in downcomer regions

Accurate prediction of interfacial drag in the downcomer annulus is crucial for the assessment of downcomer void fraction for the loss of coolant accident analysis. The downcomer annulus is the gap between reactor pressure vessel (RPV) exterior and the inner wall of pressure containment vessel (PCV). Based on the previous research, occurrence of the nonuniform two-phase flow in downcomer section is reported, which is partly due to the large wall temperature difference between RPV exterior and the inner wall of PCV. In RELAP5, interfacial drag term in downcomer section is calculated using Kataoka–Ishii and churn-turbulent drift–flux correlations. It has been pointed out that this traditional calculation approach for calculating downcomer void fraction needs modification. The purpose of the current study is to assess the behaviors of drift–flux parameters in downcomer section and to propose an improved distribution parameter model that is suitable for donwcomer boiling analysis.     

基于漂移流模型的蒸汽发生器稳态热工水力分析

为研究蒸汽发生器的稳态热工水力特性,建立了四方程漂移流模型,并开发了一维计算程序。对蒸汽发生器U型管管束空间考虑为由一次侧通道、二次侧通道和传热管构成,对一次侧通道和二次侧通道的过冷段采用单相流模型,二次侧通道的沸腾段采用四方程漂移流模型,建立基于交错网格的一阶迎风差分方程,通过热平衡-自然循环压降的交叉迭代计算得到稳态热工水力参数。利用程序计算了秦山300 MW核电厂100%、75%、50%、30%、15%功率稳定运行工况下的热工水力特性,并与RELAP5的计算结果进行比较,两组结果一致性较好。     

ACME台架蒸汽发生器传热特性数值模拟

以ACME台架的蒸汽发生器（SG）为研究对象,SG二次侧选用两流体模型,采用计算流体力学软件CFX对ACME台架的SG进行了整体直接模拟。针对稳定试验工况进行了计算,得到了SG一、二次侧的温度分布,二次侧空泡份额分布及传热管的壁温等参数沿U型管高度方向的变化,获得了二次侧较详细的流动和传热特性。计算结果表明,从第2道折流板开始,折流板底部已积聚了部分气泡,随高度的增加,折流板底部积聚的气泡越多,在弯管区附近及以上区域,已全部变为蒸汽。本文计算结果与试验结果符合较好。     

Numerical Simulation on Heat Transfer Characteristic of Steam Generator of ACME Facility

Taking the steam generator (SG) of the ACME facility as the study object, two-fluid model was chosen for the secondary side of the SG and a direct simulation was made on the whole SG of the ACME facility with the CFD software CFX. The stable test conditions were calculated. The primary side and secondary side temperature distribution of SG, the secondary side void fraction distribution and the wall temperature of heat transfer tube were obtained. The secondary side detailed flow and heat transfer characteristics were arrived. The results show that bubbles begin to accumulate from the second baffle and bubble amount increases as the tube is higher. Near the bend area and above, they all become steam. The calculated results are all in accordance with the experimental results.     

采用漂移流模型的U形管蒸汽发生器动态仿真

使用漂移流模型建立U形管蒸汽发生器瞬态分析模型。在瞬态方程的基础上 ,得到稳态工况的计算方程 ,提出了一个计算速度快 ,精度高的稳态方程求解方法 ;其分析结果与大亚湾核电站蒸汽发生器静态工作特性符合得很好。在瞬态分析过程中 ,使用了自动变步长的非线性多步法 ,在保证计算精度的前提下 ,计算速度得以改善 ;其分析结果与经实验验证的FRAMATOME对大亚湾核电站蒸汽发生器分析结果符合得很好。     

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明,汽泡在核化点生长时,汽泡底部与加热面存在一小的接触面,总体而言,汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下,不同核化点处汽泡生长规律基本相同,但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小,脱离时间较长,可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内,统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加,汽泡平均脱离直径减小;随入口欠热度的增加,汽泡平均脱离直径减小;随主流速度的增加,汽泡平均脱离直径减小。     

气泡破裂产生膜液滴理论模型的建立与验证

本文研究了常温、常压条件下自由液面单气泡破裂产生膜液滴现象。在明确该过程物理机理及气泡破裂环状物模型基础上,应用瑞利射流不稳定性分析理论结果,通过合理假设,建立了自由液面单气泡破裂产生膜液滴的物理模型。通过引入瑞利断裂时间判据,对时间变量进行离散,数值求解该理论模型,可获得气泡破裂产生膜液滴的初始参数,包括膜液滴数量、尺寸、速度、初始位置。将模型计算结果同已有实验数据对比,二者符合较好,证明了模型的正确性。