球床通道内气液两相竖直向上流动流型实验研究

对球形颗粒填充通道内的空气-水竖直向上两相流动流型进行了可视化实验研究。实验段填充球直径分别为3、5和8 mm,气相表观流速为0.005～1.172 m/s;液相表观流速为0.004～0.093 m/s。实验观察得到4种典型流型:泡状流、串状流、液柱脉冲流和乳沫脉冲流,并绘制出流型图,其中脉冲流占据较大区域。通过与常规通道流型图对比发现:由于填充颗粒的影响,球床通道泡状流区域较常规通道显著减小。对比3种球床通道流型图得到:随着颗粒直径的增加,串状流区域增大;在低液相流速下,对于8 mm直径颗粒,串状流可直接过渡到乳沫脉冲流。

三维随机填充球床通道内流场数值分析

对三维随机堆积球床通道内单相水流动进行数值模拟,分析了通道内沿流动方向不同位置截面径向速度分布,以及不同流动状态对截面速度分布的影响。其中球体随机堆积几何模型采用离散单元方法构建,并通过搭桥法对球体间及球体与管壁间的接触问题进行处理。研究结果表明:使用搭桥法后对孔隙率影响可忽略不计;球床通道截面速度与孔隙率具有相似的径向分布规律;在同一流动状态下,从管壁沿径向方向,不同截面的速度分布一致性逐渐减弱;随Rep的增加,同一截面速度分布趋于均匀。

随机填充球床通道内单相流动数值模拟方法研究

利用离散单元方法(DEM)建立通道内球体随机排列几何模型,对通道内单相流动进行数值模拟并进行验证。网格划分中的曲面接触区采用搭桥法处理不仅可生成高质量网格,而且使整体网格数量也明显减少。验证结果表明:计算得到的通道内径向孔隙率分布、平均孔隙率以及流动阻力与经典关系式吻合较好;计算模型能够很好地体现出边壁效应对流动阻力的影响。

整体加热球床通道内流动过冷沸腾起始点的实验研究

以新概念球床水冷反应堆为背景,对含内热源球床通道中流动过冷沸腾起始(ONB)点的相关特性进行实验研究。选用直径8 mm的表面氧化碳钢球形成随机堆积床,利用电磁感应技术对球床整体加热,研究孔隙质量流速G、工质入口温度Tin和轴向测量位置对ONB点热流密度qONB的影响。实验结果表明,当热流密度q增加到一定值时,壁温Tw随热流密度q的变化曲线会出现拐点,此拐点即为含内热源球床通道内流动ONB点;qONB随G的增加而增大,随Tin的升高而减小;越靠近球床通道出口,qONB越小。导出了计算含内热源球床通道内qONB的无量纲准则关系式,预测值与实验值的偏差在±20%的范围内。

球床通道内CFD网格适用性分析

为了研究球床通道内网格效应对CFD计算精度的影响,本文采用两类网格划分形式,对体心堆积结构球床通道内层流和湍流下的阻力和传热特性进行了数值计算。通过对比发现:在层流时,流道内的整体网格密度是决定阻力和传热特性计算结果精度的主要因素,在相同条件下,阻力对网格密度的依赖程度大于传热。而湍流时,决定阻力和传热特性计算结果精度的主要因素是近壁面网格数量,通过构建贴体附面层网格,能够在保证计算精度的条件下,有效地控制整体网格数量。

含内热源球床通道内过冷流动沸腾汽泡行为特性研究

为加深对含内热源球床通道内流动过冷沸腾换热机理的研究,采用高速摄像仪对通道内流动过冷沸腾时的汽泡行为进行了可视化实验研究。结果表明:汽泡在通道内很容易受到球体的阻碍而附着于球面上,受到阻碍的汽泡将沿球面进行滑移运动;汽泡存在大量的"重生现象",即生成的汽泡在生存阶段可能出现多次生长的情况;在球与球接触的角区,会产生稳定的汽化核心点。角区的结构形式对汽泡的脱离直径及脱离频率产生较大的影响。