稠密栅内气液两相流动相界面输运模型研究

Tight lattice reactor cores have significant advantages in increasing conversion ratio and power density. However, the limited study of interfacial area transport in tight lattice bundles severely affects the application of the two-fluid model in modeling and safety analysis of tight lattice cores. In this project, the interfacial area transport characteristics in tight lattices will be investigated. Flow regime maps for tight lattices will be established based on the macro flow patterns captured by a high speed camera. The evolution of spatial distributions of interfacial area concentration in the downstream region of grid spacers will be precisely measured by wire-mesh sensors. Based on the experimental data and mechanism analysis, a set of source and sink terms for tight lattices will be proposed. New interfacial area transport equation for tight lattices will be developed based on the traditional interfacial area transport equation, which is established based on the Boltzmann transport equation. This work aims to provide more precise models for the two-fluid model. The newly developed interfacial area transport equation could be implemented into existing safety analysis codes based on the two-fluid model to support the design of tight lattice reactor cores.

稠密栅堆芯具有高转换比和高功率密度的优点，但目前还没有适用于稠密栅几何的相界面输运模型，使得两流体模型无法有效应用于稠密栅气液两相流模拟和安全分析计算。本项目使用可视化方法捕获稠密栅内两相宏观流动形态，使用线阵列传感器测量稠密栅内微观相界面浓度精细空间分布，测量分析格架下游宏观流态和微观相界面分布发展过程，建立稠密栅相界面浓度实验数据库和流型分布图，明确稠密栅流型转变规律。以基于玻尔兹曼方程的通用相界面浓度输运方程为基础，考虑稠密栅固有流动特性，分析栅格几何和格架对相界面输运过程的影响机制，基于实验数据修正、补充对应的源项、汇项关系式，建立稠密栅相界面输运模型。本研究可为两流体模型提供更精确的理论模型。将新的相界面输运模型引入现有基于两流体模型的安全分析程序中，可为稠密栅堆芯燃料组件设计提供重要支持。

稠密栅燃料组件可提高反应堆堆芯功率密度及燃料利用率，进而提高反应堆的性能与经济性。在事故中，堆芯冷却剂可能发生沸腾，形成两相流。两相流相界面分布特性对其压降、传热和沸腾临界特性有直接影响，准确预测事故中稠密栅内相界面输运过程对其优化设计及堆芯安全分析具有重要意义。本项目对稠密栅棒束通道内两相流相界面输运特性开展了实验和理论研究，主要工作包括：.1）提出了基于电势场模拟迭代的丝网传感器后处理方法，有效克服超调、串音影响，基于自研丝网传感器实现稠密栅复杂流道内两相流动相界面分布高时空分辨率测量。该方法基于丝网传感器测量值和真实值间的单调性，设计了基于电势场模拟的迭代修正步骤，可保证最大偏差与残差随迭代步数指数降低。该方法降低了串音、消除了超调现象对测量结果的影响。.2）开展了稠密栅棒束内气-液两相流实验研究，明确了稠密栅内两相流动相态分布及演化特性，获得了不同流型下包括空泡份额、相界面浓度、气泡尺寸分布在内的关键两相流信息。泡状流中，稠密栅内弥散小尺寸气泡，子通道内存在与单相流大尺度流动脉动现象类似的空泡份额脉动现象。泡-帽状流中，帽状气泡交替排列，将液相在两个子通道之间来回排挤，从而产生大尺度的脉动流。弹状流中，弹状气泡穿过窄缝横跨两个子通道。.3）评估了现有相界面浓度输运模型适用性，明确了其误差来源。考虑稠密栅对大尺寸气泡形状的限制，建立气泡形状因子模型，修正界面剪切项及湍流脉动项，建立了适用于稠密栅棒束流道内的相界面浓度输运模型。.4）提出了适用于稠密栅流道的气泡尺寸分布演化模型。基于气泡颗粒输运特性，考虑沿程压力变化和气泡之间相互作用导致的气泡尺寸分布变化，建立了一维稳态竖直顺流的气泡尺寸分布演化模型的控制方程。基于稠密栅内两相流实验数据标定了模型内的系数，并验证了模型的正确性和精度。.本研究工作可为两流体模型发展提供新的基础理论模型，为稠密栅堆芯燃料组件设计与安全分析提供支持。