基于MPS方法的铅铋堆内水泡特性研究

作     者：刘畅 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张智刚

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：移动粒子半隐式法 PBWFR堆 水泡 流速 形变 接触面积 换热系数 

摘      要：PBWFR(Pb-Bi-cooled direct contact boiling water fast reactor)反应堆通过给水泵将过冷水打入到铅铋合金冷却剂中,实现堆芯热量导出,并伴随剧烈的流动换热。工程上通常采用体积换热系数和界面换热系数来反应换热情况,但是体积换热系数并没有普适性。界面换热系数能够较为准确地反应换热能力大小,但是对水或蒸汽泡与铅铋合金接触表面积的测定一直是制约其发展的因素。移动粒子半隐式方法(Moving Particles Semiimplicit Method)MPS方法能够有效地追踪流动界面变形问题,且在核能领域具有广泛应用,本文将利用该先进数值模拟方法对PBWFR堆内水泡界面流动换热特性进行研究。本文首先对铅铋合金与水直接接触流动换热的研究现状,MPS方法的应用以及发展现状进行了较为系统的概述。本文利用Fortran语言开发MPS程序,在传统MPS方法基础上加入新的修正模型(ADM、ECS),采用高阶模型(HL、FDZ),多相泊松方程和轮廓线表面张力模型(CCSF)等,使之能够处理大密度比和大粘度比多相界面流动问题。其次通过两相泊肃叶流动,正方形液滴变形,验证了改进后MPS程序的粘性模型,表面张力模型的正确性;在此基础上模拟水中气泡上升,并开展小型单气泡上升实验,将模拟结果与实验结果进行对比,验证程序能够较好的模拟气泡上升运动;通过文献中无量纲准则数下气泡运动变形规律进一步验证程序能够有效地模拟界面变形问题。运用该程序对PBWFR堆中水泡自由上升过程进行数值模拟,对水泡位移,流速,形状变化,速度场,接触周长,换热功率以及界面换热系数变化进行研究分析,其中对接触周长采用界面识别模型进行精确计算。结果显示铅铋合金中的水泡在上升过程中由球状变为马蹄状,随后分裂子水泡。接触周长变化较大,且在整个过程中接触周长峰值时间滞后于速度峰值时间。并对不同压力下铅铋合金中的水泡,蒸汽泡进行数值模拟。结果显示蒸汽泡在上升过程呈扁球状,且不发生子汽泡分裂,主要原因是受表面张力的影响。大气压以及7MPa下水泡与铅铋合金的界面换热系数相近,但不同压力下蒸汽泡与铅铋合金界面换热系数相差较大。最后,本文对比研究铅铋合金中不同墙壁效应,水泡直径,水泡初速度等因素对水泡流动换热的影响,总结分析了不同影响因素下流速,形状,接触周长,换热功率,界面换热系数的变化规律。并用该程序对双汽泡融合,排斥现象,水泡群的动态特性进行模拟。