球床通道內單相及氣液兩相流動特性研究.pdf

1、球床水冷反應堆是一種將輕水反應堆技術和球形燃料元件相結合的新概念反應堆，它具有設計簡單、模塊化建造、長壽命、固有安全性高和防止核擴散能力強等優(yōu)點。反應堆的堆芯緊密填充球形顆粒燃料，構成球床通道，對其內部單相和兩相流動特性研究將為球床水冷反應堆的設計和安全分析提供可靠的實驗依據和技術支持。本文對管徑為50mm，球徑分別為2mm、3mm、5mm和8mm構成的球床通道內單相水和氣液兩相流動特性開展實驗研究和數值模擬。主要研究工作如下：

2、　　1．搭建了球床通道內單相流動實驗臺，并在此基礎上進行了多尺寸、全范圍單相流動阻力實驗研究。結果表明：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，能夠較好地體現出不同結構參數下球床通道內統(tǒng)一的流動規(guī)律。根據整體阻力特性和局部流動信息將球床通道內單相流區(qū)劃分為 Darcy區(qū)、Forchheimer過渡區(qū)和湍流區(qū)。通過本文實驗數據對文獻中單相阻力計算關系式驗證表明：KTA公式不僅表達式結構形式簡潔，而且在整個實驗范圍內具有較高的

3、計算精度，另外，通過本文實驗數據的考察，同時也擴展了KTA公式的適用范圍。
　　2．開展了隨機填充球床通道內單相流動數值模擬分析，圍繞球體隨機堆積結構的建立、接觸區(qū)處理方法以及網格生成等關鍵性問題進行了深入探討。利用離散單元法構建隨機堆積球床通道幾何模型，通過減小摩擦系數的方法來提高球體的密實程度。采用搭橋法對通道內球體間及球體與管壁間的接觸問題進行處理，并開發(fā)了相應的網格劃分操作程序。在已驗證模型的基礎上開展了高雷諾數下流動阻力

4、計算，分析了不同雷諾數下、通道內壓力分布以及速度分布。最后對球床通道內層流和湍流兩種流動狀態(tài)下的阻力和傳熱特性進行網格適用性分析，從而確定合理的網格劃分準則。
　　3．通過高速攝影儀對球床通道內氣液兩相流型進行了可視化研究。在豎直向上流動條件下，球床通道內氣液兩相流動中出現的典型流型有：泡狀流、脈沖流和環(huán)狀流。其中脈沖流根據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，脈沖流占據絕大范圍。隨

5、著液相表觀流速的增加，液相的湍流效應增強，使泡狀流區(qū)域增大。球徑越小，流型從泡狀流向脈沖流轉變提前。
　　4．對球床通道內兩相流動空泡份額進行了實驗研究。結果表明：同一工況下，球徑越小空泡份額也越小；空泡份額總是小于體積含氣率，這與傳統(tǒng)通道內空泡份額變化規(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出非線性和線性兩種變化規(guī)律，這主要與不同液相流量下的流型具有密切關系。在漂移流模型的基礎上得到了球床通道內空泡份額計算關系式，

6、其計算值與本文實驗值符合良好。綜合本文與文獻兩方面實驗數據的驗證，漂移流模型能夠很好表現出球床通道內的空泡份額變化規(guī)律。
　　5．對高雷諾數下球床通道內氣液兩相流動阻力特性進行了實驗研究。分析了氣液流量、流型以及球床參數對兩相流動阻力的影響。結果表明：球床參數對兩相阻力影響較大。對現有基于分相流模型的兩相阻力關系式進行了評價，應用 Lockhart-Martinelli方法，提出了新的兩相阻力關系式，該關系式計算值與本文實驗數據符