矩形通道双群组界面浓度输运模型与验证方法研究

在当前主流核反应堆系统分析软件中,均基于流型选取不同经验关系式计算界面浓度,在流型转换区域会存在数值求解振荡和人工不连续性及适用范围受限等问题。因此,界面浓度输运方程(IATE)被提出用于计算两相流型转变过程中的界面浓度等参数。本文基于玻尔兹曼输运方程建立了双群组IATE,并考虑矩形通道壁面效应的影响,针对气泡破裂与聚合机理分别建立了不同的界面浓度封闭模型。为了评估双群组IATE的适用性,建立了双群组IATE的验证方法,与Sun建立的帽状-湍流实验工况结果符合较好。

矩形通道双群组界面浓度输运模型验证分析

为了验证矩形通道双群组界面浓度输运模型的准确性与适用性,采用四探头电导探针测量方法,对竖直条件下矩形通道内气液两相界面输运特性开展了试验研究,获得了大量时均空泡份额、界面浓度等试验数据。试验在常温常压条件下进行,工质为空气-水,本体采用透明亚克力材质,尺寸为10 mm×200 mm,气、液相折算速度范围分别为0.047~2.014 m/s和0.315~4.416 m/s,流型范围覆盖泡状流、帽状湍流和搅混流区域。在此基础上,选取了8种试验工况对矩形通道双群组界面浓度输运模型进行验证,对影响界面浓度输运模型的气泡相互作用机制进行了分析。结果表明,群组1和群组2气泡界面浓度和空泡份额相对误差均在±10%以内,验证了矩形通道双群组界面浓度输运模型的正确性。

带定位格架的棒束通道内泡状流条件下界面浓度输运模型

在两流体模型中,表征两相间界面传递项的界面浓度是非常重要的参数之一。本文开发了含定位格架的棒束通道内泡状流条件下一维界面浓度输运方程,包含对方程中的源项和汇项,即气泡聚合项和气泡破裂项,并进行建模。基于四探头电导探针测量系统对5×5棒束通道开展了空气-水两相空泡特性实验研究,获得了不同工况条件下界面浓度沿轴向方向的实验数据。通过与实验数据对比,新开发的界面浓度输运模型能够对界面浓度进行很好地预测,相对误差为±16.9%。

相界面浓度输运方程在一维两流体模型中的应用研究

为解决一维两流体模型核电厂系统分析程序中使用流型图所带来的缺陷,提高系统分析程序计算的准确性,探索在一维两流体模型中应用相界面浓度输运方程(IATE)对两相流动进行预测。采用FORTRAN语言开发耦合了IATE的一维两流体模型求解器(Solver-IATE),并对其进行验证。基于Solver-IATE对小直径绝热圆管内向上泡状流进行了数值模拟,并与采用流型图的计算结果进行了对比。研究结果表明:采用IATE计算的相界面浓度结果比采用流型图的计算结果更接近实验值。因此,在一维两流体模型中使用IATE可以提高其计算相界面浓度的准确性,进而提高一维两流体模型核电厂系统分析程序计算两相间相互作用项的准确性,能更准确预测反应堆的瞬态响应特性。

泡状流三维模拟及壁面润滑力模型比较

采用双流体模型耦合界面浓度输运方程,对竖直上升管内泡状流进行了三维模拟。结合Wang(1987)的泡状流测量实验,研究了不同壁面润滑力作用下管道界面含气率的分布特征。通过实验测量结果与各种壁面润滑力模型计算结果的对比,分析了各种模型对含气率分布的影响。结果表明,Tomiyama及Frank的模型具有相似的特性,高估了壁面润滑力的大小。而Antal的模型作用范围过于狭小,对气泡分布的峰值的预测偏差很大。Hosokawa的模型则较好地预测了本文工况含气率的分布。