摘要
汽水分離器和安全殼噴淋系統(tǒng)是確保核反應(yīng)堆安全可靠運(yùn)行的至關(guān)重要的設(shè)備。由于分離器和安全殼噴淋系統(tǒng)的工作過程伴隨著大量的兩相流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，而氣液兩相間的相互作用及傳熱傳質(zhì)行為與反應(yīng)堆工作性能密切相關(guān)，因此，從液滴的運(yùn)動(dòng)、相變等微觀行為出發(fā)，研究液滴運(yùn)動(dòng)的相變過程和規(guī)律，建立液滴理論模型，對(duì)分離器和安全殼噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化和自主化設(shè)計(jì)具有重要意義。
首先，基于汽水分離器中液滴運(yùn)動(dòng)相變過程的現(xiàn)象，對(duì)壓差驅(qū)動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)相變過程進(jìn)行了機(jī)理研究�；诜蛛x器中因阻力造成壓力降低，使液滴運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)，進(jìn)而影響分離性能的現(xiàn)象和機(jī)理，指出壓力變化條件下液滴相變過程包括快速蒸發(fā)及熱平衡蒸發(fā)階段，并建立了壓力變化條件下靜止液滴相變模型，繪制了液滴蒸發(fā)圖譜。結(jié)合液滴三維運(yùn)動(dòng)模型，建立了液滴運(yùn)動(dòng)相變單向耦合模型。
其次，基于特征液滴思想，建立了多液滴運(yùn)動(dòng)相變?nèi)S模型，并將該模型應(yīng)用到經(jīng)典波紋板分離器及AP1000（Advanced Passive PWR 1000）分離器中，從而研究了液滴相變對(duì)分離效率的影響。結(jié)果表明： 正常運(yùn)行工況下，由于分離器總體處于飽和狀態(tài)，且分離器的壓降較小，可以不考慮液滴相變對(duì)分離效率的影響； AP1000中的旋葉分離器對(duì)液滴起主要分離作用，
波紋板和下部重力分離空間起次要作用，波紋板入口前的孔板會(huì)對(duì)分離效率產(chǎn)生一定影響。
再次，對(duì)溫差驅(qū)動(dòng)多液滴運(yùn)動(dòng)相變雙向耦合過程進(jìn)行了機(jī)理研究。通過分析單個(gè)液滴的蒸發(fā)特性，提出了蒸發(fā)液滴的影響域的概念。并指出在影響域內(nèi)，液滴的存在會(huì)引起氣相參數(shù)劇烈變化。通過分析影響域的影響因素，給出了影響域半徑的表達(dá)式。
由于現(xiàn)有液滴蒸發(fā)模型，存在采用無窮遠(yuǎn)或來流參數(shù)而忽略局部參數(shù)變化的問題，
因此本書通過建立高效液滴定位和流場信息搜索算法，并考慮液滴周圍局部氣相參數(shù)，引入液滴對(duì)局部氣相參數(shù)的影響，建立了多液滴運(yùn)動(dòng)相變雙向耦合模型。結(jié)合影響域尺寸，將液滴對(duì)氣相流場的作用源按距離反比權(quán)重的方法，加載在影響域內(nèi)的氣相流場中，建立了有限空間內(nèi)考慮影響域的多液滴運(yùn)動(dòng)相變雙向耦合模型，可以在一定程度上提高計(jì)算的收斂性。
最后，將雙向耦合模型應(yīng)用到安全殼噴淋過程模擬中，與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了模型的正確性，分析了安全殼噴淋系統(tǒng)的運(yùn)行性能，得到了噴淋參數(shù)對(duì)噴淋性能的影響規(guī)律。并將此規(guī)律應(yīng)用到定容彈內(nèi)燃油噴霧蒸發(fā)過程模擬中，驗(yàn)證了
此模型具有適用性，從而拓展了該模型的應(yīng)用范圍。
關(guān)鍵詞： 液滴運(yùn)動(dòng)相變； 雙向耦合； 影響域； 汽水分離； 安全殼噴淋
第1章緒論
1.1研究背景
1.2汽水分離研究現(xiàn)狀
1.2.1液滴產(chǎn)生機(jī)理研究現(xiàn)狀
1.2.2液滴運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究現(xiàn)狀
1.2.3液滴碰撞和消亡機(jī)理研究現(xiàn)狀
1.2.4汽水分離研究現(xiàn)狀總結(jié)
1.3安全殼噴淋系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
1.3.1安全殼噴淋理論和實(shí)驗(yàn)研究
1.3.2安全殼噴淋數(shù)值模擬研究
1.3.3安全殼噴淋系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀總結(jié)
1.4液滴相變研究現(xiàn)狀
1.4.1靜止液滴蒸發(fā)機(jī)理研究現(xiàn)狀
1.4.2液滴運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)的研究現(xiàn)狀
1.4.3液滴運(yùn)動(dòng)相變雙向耦合的研究現(xiàn)狀
1.4.4液滴相變研究現(xiàn)狀總結(jié)
1.5研究現(xiàn)狀總結(jié)
1.6研究內(nèi)容和技術(shù)路線
第2章多液滴運(yùn)動(dòng)相變單向耦合模型
2.1壓力變化條件下的靜止液滴相變模型
2.1.1現(xiàn)象描述和機(jī)理解釋
2.1.2數(shù)學(xué)模型
2.1.3模型的求解和驗(yàn)證
2.1.4兩種機(jī)制的占比分析
2.1.5參數(shù)特性分析
2.2液滴運(yùn)動(dòng)相變模型
2.2.1單液滴運(yùn)動(dòng)相變模型
2.2.2多液滴運(yùn)動(dòng)相變模型
2.2.3液滴運(yùn)動(dòng)相變模型驗(yàn)證
2.3算法加速
2.3.1液滴定位搜索和插值方法
2.3.2不同算法性能對(duì)比
2.3.3算法加速方法的提出
2.4本章小結(jié)
第3章多液滴運(yùn)動(dòng)相變單向耦合模型的應(yīng)用
3.1經(jīng)典波紋板分離器分離性能研究
3.1.1蒸汽環(huán)境中波紋板分離器的分離效率
3.1.2相變對(duì)分離效率的影響
3.1.3相變對(duì)液滴半徑和速度的影響
3.2AP1000汽水分離器分離性能研究
3.2.1AP1000分離器結(jié)構(gòu)及工作原理
3.2.2初始條件和邊界條件
3.2.3下部重力分離空間
3.2.4初級(jí)分離器
3.2.5上部重力分離空間
3.2.6孔板及次級(jí)分離器
3.2.7液滴相變對(duì)分離效率的影響
3.3本章小結(jié)
第4章多液滴運(yùn)動(dòng)相變雙向耦合模型
4.1液滴蒸發(fā)影響域概念的提出
4.1.1影響域概念
4.1.2VOF模型及實(shí)現(xiàn)
4.1.3模型驗(yàn)證
4.2影響域影響因素分析
4.2.1流場空間尺寸選定和無關(guān)性驗(yàn)證
4.2.2液滴半徑對(duì)影響域的影響
4.2.3溫差對(duì)影響域的影響
4.2.4蒸發(fā)時(shí)間對(duì)影響域尺寸的影響
4.2.5工作壓力、空氣濕度對(duì)影響域尺寸的影響
4.2.6影響域大小的影響因素綜合分析
4.3有限空間內(nèi)考慮影響域的液滴運(yùn)動(dòng)相變雙向耦合模型
4.3.1現(xiàn)象描述和機(jī)理解釋
4.3.2數(shù)學(xué)模型
4.3.3影響域內(nèi)距離反比權(quán)重法的源項(xiàng)加載方法
4.3.4模型求解和驗(yàn)證
4.4本章小結(jié)
第5章多液滴運(yùn)動(dòng)相變雙向耦合模型的應(yīng)用
5.1安全殼噴淋系統(tǒng)運(yùn)行性能仿真
5.1.1安全殼噴淋系統(tǒng)和TOSQAN介紹
5.1.2安全殼噴淋系統(tǒng)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)對(duì)比
5.1.3噴淋參數(shù)對(duì)噴淋性能的影響分析
5.2燃油噴霧蒸發(fā)過程模擬
5.3本章小結(jié)
第6章總結(jié)與展望
6.1主要工作
6.2創(chuàng)新點(diǎn)
6.3展望
附錄A作用力系數(shù)
附錄B液滴半徑概率密度分布對(duì)旋葉分離器效率的影響
附錄C旋葉分離器分離效率與實(shí)驗(yàn)對(duì)比
參考文獻(xiàn)
在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝
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