球床通道內(nèi)單相及氣液兩相流動(dòng)特性研究.pdf

1、球床水冷反應(yīng)堆是一種將輕水反應(yīng)堆技術(shù)和球形燃料元件相結(jié)合的新概念反應(yīng)堆，它具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、模塊化建造、長(zhǎng)壽命、固有安全性高和防止核擴(kuò)散能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)堆的堆芯緊密填充球形顆粒燃料，構(gòu)成球床通道，對(duì)其內(nèi)部單相和兩相流動(dòng)特性研究將為球床水冷反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和安全分析提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支持。本文對(duì)管徑為50mm，球徑分別為2mm、3mm、5mm和8mm構(gòu)成的球床通道內(nèi)單相水和氣液兩相流動(dòng)特性開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。主要研究工作如下：

2、　　1．搭建了球床通道內(nèi)單相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了多尺寸、全范圍單相流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：以孔隙流速和水力直徑為特征速度和特征尺寸的修正雷諾數(shù)，能夠較好地體現(xiàn)出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下球床通道內(nèi)統(tǒng)一的流動(dòng)規(guī)律。根據(jù)整體阻力特性和局部流動(dòng)信息將球床通道內(nèi)單相流區(qū)劃分為 Darcy區(qū)、Forchheimer過(guò)渡區(qū)和湍流區(qū)。通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)文獻(xiàn)中單相阻力計(jì)算關(guān)系式驗(yàn)證表明：KTA公式不僅表達(dá)式結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔，而且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)具有較高的

3、計(jì)算精度，另外，通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的考察，同時(shí)也擴(kuò)展了KTA公式的適用范圍。
　　2．開(kāi)展了隨機(jī)填充球床通道內(nèi)單相流動(dòng)數(shù)值模擬分析，圍繞球體隨機(jī)堆積結(jié)構(gòu)的建立、接觸區(qū)處理方法以及網(wǎng)格生成等關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了深入探討。利用離散單元法構(gòu)建隨機(jī)堆積球床通道幾何模型，通過(guò)減小摩擦系數(shù)的方法來(lái)提高球體的密實(shí)程度。采用搭橋法對(duì)通道內(nèi)球體間及球體與管壁間的接觸問(wèn)題進(jìn)行處理，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的網(wǎng)格劃分操作程序。在已驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上開(kāi)展了高雷諾數(shù)下流動(dòng)阻力

4、計(jì)算，分析了不同雷諾數(shù)下、通道內(nèi)壓力分布以及速度分布。最后對(duì)球床通道內(nèi)層流和湍流兩種流動(dòng)狀態(tài)下的阻力和傳熱特性進(jìn)行網(wǎng)格適用性分析，從而確定合理的網(wǎng)格劃分準(zhǔn)則。
　　3．通過(guò)高速攝影儀對(duì)球床通道內(nèi)氣液兩相流型進(jìn)行了可視化研究。在豎直向上流動(dòng)條件下，球床通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)中出現(xiàn)的典型流型有：泡狀流、脈沖流和環(huán)狀流。其中脈沖流根據(jù)不同氣液流量又可分為：液柱脈沖流、乳沫脈沖流和環(huán)狀脈沖流。在球床通道氣液兩相流型圖中，脈沖流占據(jù)絕大范圍。隨

5、著液相表觀流速的增加，液相的湍流效應(yīng)增強(qiáng)，使泡狀流區(qū)域增大。球徑越小，流型從泡狀流向脈沖流轉(zhuǎn)變提前。
　　4．對(duì)球床通道內(nèi)兩相流動(dòng)空泡份額進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：同一工況下，球徑越小空泡份額也越??；空泡份額總是小于體積含氣率，這與傳統(tǒng)通道內(nèi)空泡份額變化規(guī)律一致。但在不同液相流量下，空泡份額與體積含氣率呈現(xiàn)出非線(xiàn)性和線(xiàn)性?xún)煞N變化規(guī)律，這主要與不同液相流量下的流型具有密切關(guān)系。在漂移流模型的基礎(chǔ)上得到了球床通道內(nèi)空泡份額計(jì)算關(guān)系式，

6、其計(jì)算值與本文實(shí)驗(yàn)值符合良好。綜合本文與文獻(xiàn)兩方面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，漂移流模型能夠很好表現(xiàn)出球床通道內(nèi)的空泡份額變化規(guī)律。
　　5．對(duì)高雷諾數(shù)下球床通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析了氣液流量、流型以及球床參數(shù)對(duì)兩相流動(dòng)阻力的影響。結(jié)果表明：球床參數(shù)對(duì)兩相阻力影響較大。對(duì)現(xiàn)有基于分相流模型的兩相阻力關(guān)系式進(jìn)行了評(píng)價(jià)，應(yīng)用 Lockhart-Martinelli方法，提出了新的兩相阻力關(guān)系式，該關(guān)系式計(jì)算值與本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符