铅-超临界二氧化碳换热器耦合流动传热特性研究

为探究螺旋盘管式主换热器内的耦合流动传热机理,基于等长度分段模型,构建了以液态铅和超临界二氧化碳为工质的螺旋盘管式主换热器原型及模化比例样件的理论设计方法,并利用相似性原理完成了主换热器小比例样件设计。以主换热器小比例样件为研究对象,通过SST k-ω湍流模型数值分析了液态铅和超临界二氧化碳在螺旋盘管换热器内的流动传热特性。计算结果表明:螺旋盘管换热器内耦合流动传热性能主要受壳侧质量流量、管侧质量流量和壳侧工质入口温度影响;管侧超临界二氧化碳质量流量对螺旋盘管换热器内耦合流动传热性能的影响最为显著,在超临界二氧化碳质量流量增加52.4%的条件下,螺旋管的平均表面换热系数增大了21.2%;在壳侧液态铅的质量流量和入口温度分别增大94.6%、20 K的情况下,螺旋管内的表面传热系数分别增大了5.5%、3.3%。该研究可为螺旋盘管式换热器的工况选择和高效设计提供理论指导。

熔融液滴在冷却剂中的运动特性实验

设计、建立了研究高温熔融液滴与冷却剂相互作用的可视化实验装置,通过高速摄影记录熔融液滴的下落过程,获得了下落小球运动过程曲线,重点考察了液滴温度和冷却剂温度对液滴-冷却剂界面作用过程的影响。结果表明,熔融液滴穿过气-水界面后,将首先经历一个速度骤降-回升过程,之后液滴作减速运动下落;当冷却水温度一定时,高温熔融液滴温度越高,熔融液滴入水后下落速度越快;当熔融液滴温度一定时,冷却水温度越高,熔融液滴入水后下落速度越快。

不同堆积结构颗粒床内的流动特性研究

为了研究不同堆积结构颗粒床内的流动特性,使用两种尺寸球形颗粒构建了均匀混合堆积结构和分层堆积结构床,在碎片床冷却性实验装置(DEBECO,DEbris BEd COolability)上进行了单相和两相流动实验。基于实验结果,对比分析了两种堆积结构的流动阻力压降,进一步验证了流动阻力模型。实验结果表明:对于不同尺寸颗粒均匀混合的堆积颗粒床,其有效直径在低速(Rep<7)条件下更接近面积平均直径;随着速度(Rep>7)升高,其有效直径更接近长度平均直径。当气液两相同向向上流过均匀堆积结构颗粒床时,实验测量的两相压降总体上与Reed模型预测值较为接近;与均匀堆积结构床相比,相同颗粒分层堆积结构床内的两相流动阻力压降较低。该实验研究结果对完善多孔介质结构内流动阻力分析具有重要的学术意义。

冷中子源冷包截面含汽率数理模型探讨

文章推导出一种计算冷包截面含汽率的数学模型;将模型计算结果与已知文献相关实验结果进行对比,验证了模型的正确性。利用该模型探讨了冷包截面含汽率的影响因素如气泡直径,工质液体的密度、粘性,加热功率等。模型计算表明:气泡直径越大,在同一截面高度处的截面含汽率越低;工质粘性越大,在同一截面高度处的截面含汽率越高。本文模型的计算结果能对冷包设计提供理论支持。

蒸汽-冷流体接触冷凝流动的数值模拟

介绍了关于蒸汽-冷流体直接接触冷凝流动与传热的数值计算模型与部分研究结果。用Level Set方法确定蒸汽-冷流体接触界面的位置和形状,建立了对蒸汽和冷流体普遍适用的动量、能量和质量守恒方程,在能量和质量寺恒方程中增加了部分项用于计算蒸汽冷凝所产生的影响。用有限差分法在交错网格上离散控制方程,用Runge-Kutta法-五阶WENO组合格式求解Level Set输运方程,用压力修正的迭代Projection方法求解动量方程,而用SIMPLE方法求解温度控制方程。对算例的计算结果表明,本文所建立的数值计算模型能反映物理现象的宏观特性。根据计算结果,分析了本文模型的优缺点,并指出了今后改进的方向。

二次启动前火箭发动机泵构件温度特性数值计算

用数值计算的方法研究了液体火箭发动机在二次启动前,发动机泵系统各构件的温度特性和泵腔含汽率。建立了基于集总参数法的发动机启动前排放过程中涡轮、泵及进口管的温度变化计算模型。排放冷却过程中冷却剂N2O4的单相强制对流换热系数用Dittus-Boelter公式计算,流动沸腾换热系数采用ShanMM强化模型。并对某液体火箭发动机二次启动前排放过程涡轮泵系统各构件温度变化和泵腔含汽率进行了计算,模型计算结果与试车数据吻合良好,研究结果表明,二次启动前的主动排放过程对泵壳体及进口管的冷却效果很好。

滑行过程中火箭发动机泵系统各构件温度数值模拟

利用数值计算的方法,研究了某型液体火箭发动机泵系统各构件及泵腔残余氧化剂在二次启动前滑行过程的温度变化。基于集总参数法建立了温度变化计算模型,并建立了泵腔残余氧化剂排空计算模型。计算结果与试车数据吻合良好。滑行过程中,涡轮温度下降,而泵壳体及进口管的温度升高;泵腔中残余氧化剂间歇排放。研究结果表明,滑行结束时泵系统的温度高于100℃,泵腔中残余氧化剂含汽率为1,不满足二次点火启动条件。

水敏性对水驱油效果的影响

利用真实砂岩模型设计单、双模型水驱油实验研究水敏性对水驱油效果的影响,并对水敏及速敏伤害进行评价。实验表明,有水敏时比无水敏时的水驱效果要差,水驱后孔道内有大量残余油膜存在,孔隙网络中水驱方式主要为非活塞式,残余油类型主要有簇状残余油、串珠状、孤立状残余油、膜状残余油及盲孔中的残余油。在油田开发中,建议通过控制注入水的水质标准,向地层中注入粘土稳定剂、铁离子稳定剂等方法,来减轻或预防储层的伤害。

页岩气多裂缝通道中的沉降特性研究

水力压裂是页岩气增产的核心技术,使页岩气流形成高导流能力的裂缝通道,支撑剂在裂缝中沉积并形成具有较好流通性能的砂堤,这对页岩气高效开采具有重要的影响。针对压裂液中支撑剂在多裂缝通道中的输送特性展开分析研究。在一定假设基础上建立起简化的多通道裂缝模型,采用欧拉-拉格朗日两相流数值仿真方法对支撑剂在裂缝内的输送分布规律进行了计算分析,讨论了支撑剂密度和粒径改变时对支撑剂在不同截面上浓度、速度分布以及携砂率的影响。计算结果表明,水平井段内支撑剂密度越高,粒径越大,井中下部沉积的数量越多,水平方向平均速度越小;支撑剂密度越高,粒径越大,水平井段内携砂率逐渐减小。不同支撑剂密度条件下,下游裂缝出口沿缝宽方向颗粒浓度分布比上游均匀。在不同支撑剂粒径条件下,小颗粒在下游裂缝出口沿缝宽方向颗粒浓度分布比上游均匀,而大颗粒表现则相反;在裂缝通道内,支撑剂密度越低,粒径越小,沿缝宽方向分布越均匀,垂直方向平均速度越小。研究结果可为工程实际中支撑剂的选取提供科学依据。

颗粒堆积床内两相流动阻力及相间摩擦力

为了探究颗粒堆积多孔介质通道内两相流动阻力特性,使用不同尺寸的球形颗粒构建实验床,在碎片床冷却性实验装置(DEBECO)上进行了气-水两相流动实验.基于实验数据,对比验证了多孔介质内两相流动阻力压降预测模型,重点分析了颗粒床内气液两相相间摩擦力对阻力压降的影响.结果表明:对小尺寸(如d=1.5mm)颗粒堆积床,气液两相相间摩擦力对其两相流动阻力压降影响微弱,两相流动阻力压降随气速增大呈逐渐上升的趋势;对大尺寸(如d=6mm)颗粒堆积床,在低速下气液两相相间摩擦力对阻力压降影响显著,随气速增大,其阻力压降出现先下降后上升的趋势.

砂石颗粒堆积床内流动特性研究

为了降低核电站严重事故中碎片床冷却性分析的不确定性,采用2个尺寸范围的砂石颗粒模拟构建碎片床,并进行了单相与两相流动实验。基于测量的单相流动阻力压降和Ergun方程计算出砂石颗粒的有效直径,在此基础上进行气-水两相流动实验,测量并获得了颗粒堆积床内的两相流动阻力压降,验证碎片床内两相流动阻力模型。结果表明:对于小尺寸砂石颗粒堆积床,其两相流动阻力压降随气相雷诺数的增大呈现上升趋势,在气相雷诺数较低时,Lipinski模型计算值与实验值吻合较好,随着气相雷诺数增大,实验值逐渐接近Reed模型计算值;对于大尺寸颗粒堆积床,相间摩擦力对两相流动阻力有重要影响,其两相流动阻力压降随气相雷诺数的增大呈先下降后上升的趋势。

分层结构颗粒堆积床内的流动阻力特性

为了研究反应堆严重事故后分层结构碎片床的流动阻力特性,使用4种尺寸球形颗粒构建了 3种颗粒堆积床,分别是颗粒均匀堆积床、水平分层颗粒堆积床和竖直分层颗粒堆积床。基于3种颗粒堆积床,开展了单相/两相流动实验,对比分析了不同堆积结构颗粒床内的流动阻力特性。研究结果表明:对水平分层结构,当下层为小颗粒、上层为大颗粒时,分层结构对流动阻力压降的影响可以忽略,堆积床上下层内的流动阻力压降和相同尺寸的颗粒均匀堆积床内的流动阻力压降基本相同;当下层为大颗粒、上层为小颗粒时,分层结构显著提高了上层小颗粒堆积床内的流动阻力压降,在最大实验流速工况下,上层小颗粒堆积床的流动阻力压降约是相同尺寸颗粒均匀堆积床的1.25倍,而下层大颗粒床内的阻力压降基本不变。竖直分层颗粒堆积床内存在横向流动,导致小颗粒堆积层内流动阻力压降降低而大颗粒层的流动阻力压降升高。研究结果对完善多孔介质结构内的流动阻力分析具有重要意义。

熔融液滴与冷却剂相互作用实验中液滴释放控制机构的研制

在高温熔融液滴与冷却剂相互作用的实验中,熔融液滴的释放控制对整个实验起至关重要的作用。本文在以往实验机械控制装置的基础上,自主设计一个自动控制电路来代替人工机械操作,利用控制电路给电磁铁提供瞬时脉冲来控制液滴瞬时释放下落,简化实验的可持续性操作,提高实验的重复性、精确性和操作方便性。

轴流铅铋泵的设计及其水力性能分析

为了研究铅铋合金泵合适的优化设计方案,基于叶片速度三角形和圆柱层无关性假设理论,设计了不同转速的轴流铅铋泵模型。利用Ansys CFX软件,构建了不同转速包含导叶的铅铋泵水力模型和无导叶的铅铋泵水力模型,通过SSTk-ω湍流模型模拟对比不同的转速以及有无导叶轮设计对轴流铅铋泵水力性能的影响。模拟结果表明:导叶轮是铅铋泵低流速设计的一个重要构件,可将转速为420r/min铅铋泵的叶轮出口冷却剂流速由4m/s降低到1.8m/s;泵内冷却剂和壁面间相对速度最高区域分布在叶片前缘泵壳侧,该流速会随泵轴转速的减小而降低;在低负荷条件下高转速铅铋泵比低转速铅铋泵拥有更好的流量扬程和效率性能,但是在0.8~1.2倍额定流量的高负荷工况条件下低转速铅铋泵比高转速铅铋泵拥有更高的效率和扬程性能。此项研究可为铅冷快堆的主泵设计优化提供一定的参考。

球床式高温气冷堆堆芯三维建模及稳态热工水力分析

准确可靠的反应堆热工水力分析对球床模块式高温气冷堆的设计及安全运行具有重要意义。基于氦气冷却剂在高温气冷堆堆芯的流动和传热进程,利用CFD软件构建高温气冷堆堆芯的三维耦合模型,模拟计算额定工况下氦气冷却剂在堆芯内的流动和传热过程,并将计算结果与使用THERMIX软件的计算结果进行对比。结果表明:在额定工况下三维模型的稳态计算结果与THERMIX计算数据吻合,相对误差小于1%,三维模型可用于模拟堆芯的冷却剂温度分布情况。研究结果可为后续开展高温气冷堆的堆芯旁流等复杂热工水力现象的分析奠定基础。

竖直通道内流动沸腾气泡脱离行为的数据驱动分析

为了研究过冷沸腾过程中气泡的脱离特性,基于统计学分析方法,利用公开发表的实验数据和经验关联式构建驱动分析数据库,运用有限混合模型和标准方差分解方法对竖直过热壁面上流动沸腾气泡脱离直径的影响因素进行数据驱动分析研究。将描述流动沸腾的量纲一参数组作为模型的输入变量,气泡脱离直径作为输出变量,采用Kullback-Leibler散度和χ2距离对于输入变量的敏感性程度顺序分别进行评估。初步的数据驱动分析结果表明:雷诺数和气液密度比对气泡脱离直径的影响最为显著,与传统方法取得的结果具有一致性,证明了数据驱动方法在分析物理问题上的可行性;在现有数据库的基础上,有限混合模型比标准方差分解方法更具一般性,可以直接基于数据库进行应用。

径向分层碎片床内流动特性研究

为研究非均质结构碎片床内的流动特性,采用两种尺寸颗粒构建了具有径向分层结构的颗粒堆积碎片床,为了对比分析,同时构建了均质结构颗粒堆积碎片床。实验研究了流体在不同堆积结构床内的流动阻力特性,并通过数值模拟揭示了流体在分层床分层界面处的流量再分配现象。研究结果表明,当流体自下而上通过碎片床时,对于均质结构颗粒堆积床,流体呈现一维流动特性;对于具有不同渗透率的径向分层床,除大部分流体自下而上通过分层床外,还存在部分流体从低渗透率层流向高渗透率层,呈现二维流动特性,且绝大部分横流仅发生在分层床的初始部分。

多尺寸颗粒堆积多孔介质通道内流动特性研究

基于美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratory)利用反应堆熔融材料UO_2进行堆内实验获得的碎片床尺寸分布,采用不同尺寸的玻璃圆球和砂石颗粒按照相似的颗粒尺寸分布,分别构建了多尺寸球形颗粒混合堆积床和砂石堆积颗粒床,实验研究了单相和气-水两相竖直向上流过颗粒堆积床时的流动阻力特性。研究结果表明,具有宽广范围尺寸分布的颗粒堆积床,其有效直径的大小受颗粒形状的影响较小;相似尺寸分布的颗粒堆积床的有效直径十分接近。基于单相实验和Ergun方程获得的多尺寸颗粒堆积床的有效直径,其两相流动阻力压降与Reed模型的计算值吻合较好。

液态铅-超临界二氧化碳换热器设计及多目标优化研究

为提高铅冷快堆主换热器的综合换热性能,本研究建立了以液态铅和超临界二氧化碳(S-CO_(2))为工质的螺旋盘管式主换热器的热工水力模型,采用MATALB语言编写了设计程序,并利用非支配排序遗传算法(NSGA-II)开展了对主换热器的换热面积和综合性能评价因子的多目标优化设计。结果表明,本文建立的优化设计方法可以在提高主换热器综合性能的同时,有效降低其换热面积。在主换热器的设计中,应优先考虑管外径、螺旋管层数以及第一层螺旋管数,以达到减小换热面积、提高综合换热性能的目的。

多尺寸颗粒堆积多孔介质床有效直径研究

本文针对多尺寸颗粒堆积组成的多孔介质碎片床,研究其冷却性分析模型中有效直径的选取准则。基于Ergun方程和针对性实验,验证多尺寸颗粒组成的多孔介质床的有效直径及其相关计算方法。研究结果表明,多孔介质碎片床的有效直径与流体在多孔介质内的流动雷诺数有关,当雷诺数较低时(Re_p<7),面积平均直径可以表征多孔介质的有效直径;随着流动雷诺数的增加(Re_p>7),长度平均直径更加接近其有效直径。