液氢中固空枝晶生长凝固定量相场法研究

为探究固空形成过程中枝晶微结构演化和氧溶质非均匀分布规律,建立了描述固空枝晶生长凝固过程中枝晶形态演化和氧溶质分布的定量相场模型(QPFM),应用该模型对连续冷却条件下的固空单枝晶和多枝晶生长行为特性进行了研究,选择了两条特殊位置曲线定量表述氧溶质分布规律。结果表明:枝晶形态随初始过冷度增大而变得复杂,二次枝晶臂更为发达;氧溶质质量分数呈现枝晶内部贫氧外部富氧的分布特征,沿一次枝晶臂和二次枝晶臂的轴线形成了氧溶质质量分数较低的脊柱;多枝晶的相互作用破环了枝晶的对称形态;连续冷却条件下,固空枝晶二次枝晶臂随时间增长逐渐粗化、融合,固相率和最大氧溶质质量分数分别持续增长到最大值0.9111和0.8406;枝晶之间的间隙阻碍了氧溶质的扩散,使得氧溶质质量分数由单枝晶时的0.402升至多枝晶时的0.668。研究可为液氢系统的安全使用提供理论指导。

固空枝晶微结构生长演化非等温定量相场模拟研究

为了探究热-溶质耦合驱动下固空枝晶生长演化和氧溶质分布规律,建立了非等温定量相场模型,应用该模型研究了不同过冷度及边界热流条件下固空枝晶的形态演化、生长速度、氧溶质分布。结果表明:相比等温模拟,考虑凝固潜热的非等温模拟可以更真实再现固空枝晶的生长过程,氧质量分数峰值相比等温模拟减少了8.5%~14.6%;枝晶的生长速度、最大氧质量分数和初始过冷度呈现正相关性,初始过冷度为4 K时,固液糊状区氧质量分数最大可达到0.401;边界热流的存在可显著改变计算域温度分布进而影响固空枝晶的生长模式;热输入减缓了枝晶的生长,而热提取使枝晶臂生长得更为繁盛粗壮,热提取、热输入条件下的固相率分别是无边界热流时的138%、69%,最大氧质量分数分别是无边界热流时的146%、94%。该研究可增进对液氢中固空枝晶生长行为的理解,为液氢系统的安全使用提供一定的理论指导。

圆管长径比和压力比对圆管出口和入口处气体流分布的影响

Clausing和Dayton在假设管道出口压力为零条件下,讨论了圆管出口和入口处的气流分布情况。作或根据文献认为,在实际情况下,管道两侧的压力通常都不为零,提出了当管道两侧存在压力比时,计算圆管出口和入口处气流分布的一般公式。本文在文献基础上,给出在分子流条件下圆管长径比(L/r)与管道两侧压力比(P_i/P_2)的关系,从而进一步讨论圆管长径比和压力比对圆管出口和入口处气体流分布影响。

水蒸气喷射泵的数值研究

建立了描述水蒸气喷射泵内部跨音速流动的理论模型。以FLUENT 12.0为计算平台,采用计算流体力学(CFD)方法,获得沿喷射泵轴向静压分布数值模拟结果,并与实验数据进行对比,两者很好的一致性验证了理论模型的适用性。CFD数值模拟结果表明,数值模拟方法能够准确捕获到喷射泵内部跨音速激波流动行为,为理解喷射泵内在抽汽机制提供了帮助。基于湿蒸气模型的数值模拟结果显示,湿蒸气模型能够捕获到喷嘴内工作蒸气的自发凝结现象,更准确地预测了水蒸气喷射泵的抽气特性,对喷射泵的结构优化和性能提高更具指导意义。

群体平衡模型对复杂气液泡状流数值模拟

引言气液泡状流广泛出现于航空航天、石油化工、核工程技术等领域,且多为复杂湍流泡状流。在工程领域中,准确预测这种复杂泡状流的含气率、气-液速度、气泡直径等参数对工业设备安全与优化分析十分重要。

HTR-10堆芯球流运动的唯象学DEM模拟

清华大学研发的lOMW高温气冷堆（HTR10）是国际上重要的先进实验反应堆，球流运动的研究具有基础性地位。通过唯象的方法对HTR10堆芯的球流运动进行了离散元数值模拟，通过已由实验验证的计算程序，采用与HTR-10堆芯1：1的计算模型，计算了27000个元件单元的运动，包括不同摩擦系数厂和不同底部锥角A下的球流运动。结果表明：在HTR-10堆芯设计条件下，球流运动较均匀，堆芯底部不存在滞留区；f越大或A越大，堆芯球流越均匀，表现出更好的整体性向下运动；当厂达到0．8上限时，HTR-10堆芯球流依然保持了整体性运动，底部无任何被滞留的球。本工作对进一步优化球床式高温气冷堆堆芯设计具有重要意义。

吸入压力对水蒸汽喷射泵抽气性能影响的数值分析

为研究水蒸汽喷射泵内部工作蒸汽与被抽气体的流动及其相互作用规律,考察被抽气体压力改变引起的膨胀比、压缩比变化对泵性能的影响机制,基于realizablek-ε湍流模型,建立了描述喷射泵内跨音速流动的数学模型。对喷射泵内压力沿壁面的分布进行了数值模拟。模拟结果与实验数据有很好的一致性,验证了理论模型的适用性。应用所建模型,在不同被抽气体压力条件下,对喷射泵内部被抽气体流动迹线、质量流率分布进行了数值预测,并计算了泵的引射系数。结果表明,被抽气体的质量流率随吸入压力的升高而增大,在被抽气体有效流动截面变化不大的情况下,使喷射泵引射系数相应增加,说明被抽气体压力增加引起的压缩比减少对引射系数的增加作用强于膨胀比减小对引射系数的减小作用。

两种群体平衡模型在大规模多粒径泡状流中的应用研究

为了研究大规模多粒径泡状流流动特性,考虑到气泡聚并、破裂等微观机制现象对气泡尺寸、数密度等宏观参量的影响,分别采用两种基于群体平衡方程的数学模型———群数密度传递(BNDT)模型与多气泡组质量传递(MUSIG)模型,对具有聚并主导趋势特征的多粒径气液泡状流实验MTLOOP进行数值模拟,并与实验进行了对比研究,结果发现:两种群体平衡模型均可以较准确地捕捉到多粒径泡状流中气泡尺寸变化趋势以及含气率分布特征转换,且预测精度相当;与MUSIG模型相比,BNDT模型计算时间节省了1/20～1/10,因此更适用于火箭工程中大型气液泡状流的工程预测.

局部通气空泡尾部微气泡流减阻仿真研究

基于欧拉—欧拉双流体模型开展了局部通气空泡尾部气泡流仿真及减阻特性研究。模型中建立了局部通气空泡尾部回射流泄气模型,并通过改进湍流耗散系数计算模型考虑了高气含量对两相作用的影响。通过将模型应用于轴对称体微气泡减阻试验,验证了多相流模型的准确性。通过开展不同工况下局部通气空泡流仿真,正确预示了空泡后回流区及其下游气泡分布特点。基于仿真结果,对试验体摩阻和压阻进行分析,研究表明对于高压阻航行器,局部通气空化综合利用空化减阻和微气泡减阻,既能有效减小摩擦阻力,又能保持较小压阻,能实现比超空泡更高的减阻率。

球床式高温气冷堆球流及球床辐射的理论与实验研究进展

球床堆芯的球流及等效导热系数是直接影响球床式高温气冷堆设计、运行和安全的重要依据,具有重要的意义。清华大学核能与新能源技术研究院近年对球流和球床等效导热系数进行了实验测量、理论研究和数值模拟,全面深入地揭示了球流规律、球流纺及径向内扩散规律、球床几何优化、物性参数影响、球流流态表征及刻画、球床等效导热系数建模等。本文对此进行了回顾总结,并指出了下一步的研究方向。

垂直上升圆管内等温气泡流动的总体平衡建模

对等温条件下垂直上升管内气泡的总体平衡(population balance)建模,提出了一种平均气泡数密度(ABND)方法.通过将平均气泡数密度传递方程引入到商业计算流体力学(CFD)软件ANSYS CFX10中来体现气泡的总体平衡.对湍流驱动下气泡自由碰撞以及湍流涡旋携带下撞击引起的气泡聚并和破裂效应采用Hibiki和Ishii提出的气泡聚并和破裂模型.对气泡流动中的基本变量:局部气含率和液体速度沿径向的分布进行了预测,并与Liu和Bankoff的实验数据进行了对比.预测结果和实测数据之间具有很好的一致性,证明了平均气泡数密度方法对气泡流动建模的适用性.

垂直上升圆管内等温泡状流的数值模拟

介绍了描述等温状态下垂直气泡流流动的总体平衡方法(population balance approach).将平均气泡数密度控制方程引入到双流体模型中实现总体平衡.介绍了描述气泡聚并与破裂机制的Yao和Morel理论模型以及Hibiki等人的实验方法.利用商业计算流体力学软件ANSYS CFX10,对圆管特定位置上的5个基本变量:气含率、气泡平均直径、相间表面积浓度以及气体和液体速度沿半径分布进行了模拟计算.预测结果与实验数据的比较表明,预测结果和实测数据之间有很好的一致性.

低压座舱内多种污染物产生和扩散的非线性规律报告

研究在座舱复杂气流和压力、温度、湿度等条件下舱体材料、舱内设备、用品、人体以及突发空气品质事故所产生的主要化学及颗粒污染物特性;获得座舱环境下由臭氧引起的化学反应产物的数量和种类;建立座舱内多种污染物的产生、传输、扩散和在人体内传播的精确模拟模型。基于上述目标,该课题研究分为成以下几个子研究进行:(1)座舱化学污染源散发机理及特性。(2)座舱环境中颗粒物运动传播特性。(3)臭氧及污染物间化学反应。(4)座舱污染物暴露的多尺度模拟。(5)

小型模块式反应堆螺旋管蒸汽发生器设计和热工水力分析

近年来,国际上一体化小型模块式反应堆发展飞速,我国也正在加速研制一体化小型模块式反应堆。本文针对15 MW的一体化小型模块式反应堆,设计一种螺旋管式蒸汽发生器,共12个蒸汽发生器组件均匀分布在反应堆堆芯围板外侧和压力容器内侧壁的环形空间中,每个组件含5层、25根螺旋管,整个蒸汽发生器共300根螺旋管。给出了蒸汽发生器的具体参数,分析了蒸汽发生器组件中换热系数、温度、温差和热流密度等沿管长的变化,并给出了螺旋管内流体的动力特性曲线。

球团流与球流在球床内的混合卸料特性研究

为更好地了解球床中球团与单球的双组分体系的流动特性,本文采用离散单元法模拟分析了球床中球团与单球二元混合颗粒材料的卸料特性。球团由3个粘接的单球通过刚性bond组合而成,形成60°、90°、120°和180°夹角。不同数量占比的球团和单球从球床底部的卸料口混合卸出,定量分析了球团组合夹角和球团数量占比对球床双组分混合球流流动特性的影响。研究结果表明,球团的存在会降低卸料速率,定量分析该降低程度与球团的粘接夹角及球团数量占比的关系后,发现卸料速率与二者均存在一定负相关性,即卸料速率随球团夹角及球团数量占比的增加而减小。

螺旋直径对螺旋管泡状流截面分布特性的影响

研究了不同螺旋直径螺旋管中泡状流的相界面参数(空泡份额、相界面浓度、气泡尺寸等)的截面分布特性。通过图像法标定了电导探针的测试精度,并通过合理地处理双头电导探针,得到了螺旋管中泡状流的空泡份额、相界面浓度和气泡数量频率的定量分布云图。为进一步量化地描述相界面参数的分布特征,采用统计方法定义了截面平均参数、相界面离散系数和气泡平均聚集坐标来表征其特性。实验结果表明,随着管道旋转直径的增大,气泡截面平均空泡份额有所下降,分布范围缩小,平均聚集坐标向上方和外侧移动,气泡尺寸整体上有所下降。

基于双流体模型的通气空泡流仿真

基于欧拉-欧拉双流体模型,考虑气-液动量交换,开展了不同弗劳德数和通气量下通气空泡流仿真,得到不同工况下空泡形态和空化数变化规律.仿真结果和试验对比表明,模型能准确预估空泡形态.进一步基于仿真结果对气-液速度场和相间作用力进行分析.研究表明小通气量下,空泡尾部滑移速度和剪应力较大,气体涡团易在尾部回射流作用下脱落;大通气量下,气团脱落相对位置更靠近尾部,气体从空泡界面转换成小气泡逸出机率增加.所得结论与试验相一致,模型准确性得到验证.

通气空泡尾部气泡流仿真和特性分析

基于欧拉-欧拉双流体模型对通气空泡尾部气泡流进行数值仿真,并采用基于多尺寸分组模型的总体平衡方法预估气泡尺寸分布.应用改进后湍流耗散系数计算模型,考虑了气泡体积含量对在湍流作用下气泡扩散现象的影响.基于上述模型对两种试验工况下流场进行了数值仿真.结果表明模型对空泡尾部回流区特性进行了准确预示,在回流区高湍流度作用下气泡迅速破碎成小气泡.并进一步得到试验体尾流区空泡体积分数和速度分布.尾流区水流速度分布保持了流体经过非流线型对称体时产生的尾流分布规律.仿真结果与试验数据相一致,模型适用性得到验证.

电站附近水域泥沙淤积的示踪研究

近年来示踪技术作为研究水动力和泥沙冲淤规律的工具得到越来越广泛的应用。示踪技术比传统的水文观测方法方便、准确。传统研究方法往往只能进行定点或走航采样监测,而示踪技术则能准确判定某一区域泥沙或水流的具体运动过程和最终运动结果,甚至给出定量的结论,从而为数学模型参数的确定提供有效的依据。Pujol使用3H监测西班牙Ebro河的横向扩散速率[1]。

氢正仲转化耦合流动换热板翅式换热器研究

为了揭示在催化剂填料的微小通道内氢正仲转化反应与流动换热耦合机理,在对比分析已有的氢正仲转化动力学模型的基础上,研究了42~70 K温度区间内氢气在催化剂填料的平直翅片通道内正仲转化反应与流动换热的耦合过程。结果表明,Elovich计算模型的平均相对误差为1.8%,是与实验数据最吻合的计算模型;由于催化剂颗粒的作用,热侧Colburn传热因子是冷侧的8~10倍,并且热侧换热增强因子与冷侧接近,正仲转化与流动换热一体化设备能够保证流动换热性能同时实现正仲连续转化过程;出口仲氢体积分数与质量空流速有关,当质量空流速小于等于0.658 kg/(m^(3)·s)时,出口仲氢体积分数能达到要求。该研究可为大型氢液化装置的系统性能优化提供理论指导。