强旋流场中同位素分离性能优化方法探索

The Uranium enrichment industry using gas centrifugeation method was found in our country with the application of the domestic centrifuge. Now the price of the separation work decreases obviously, it becomes more necessary to controll the cost of the unit separation power. Except for investagation of the cascade and centrfugation equipment,it is more important to improve the separation power of the single centrifuge using the same accessory equipments. For example, Russia centrifuge was devoloped using the same diameter, with rising of the rotor speed and the optimization of the inner structure, the separation of the sinlge machine rised about 1 time from 5 to 8 generation. In this project numerical method was used to analysis the flow-field in gas centrifuge, and the theory analysis resuts would be compared with the experiment data. Under the condition of the same size and speed of the rotor, the optimization of the inner structure and driver conditions would be performed. Based on the above work, the numerical design code package would be devoloped. The project is useful for understanding the centrifugation separation theory more deeply, and helps to improve the separation of gas centrifuge.

随着国产离心机的应用，我国建立了自主的离心法铀浓缩体系。当前世界上分离功的价格下降明显，对单位分离功的成本控制提出了更高的要求。除了在级联、核燃料工艺流程改进等方面要进行深入研究和重新设计外，更重要的是单机分离功率的提高。考虑到工厂已有的装架及辅助设施，在同样的转子尺寸下，对单机的结构以及驱动条件进行优化以提高单机分离性能，是十分有意义的。俄罗斯的第5~8代离心机在转子参数基本不变的情况下，实现了单机分离功率增加约一倍。本项目采用数值方法对离心机流场进行分析，采用理论和实验相结合的技术路线。在不改变转子尺寸和侧壁线速度的条件下，开展内部结构以及驱动条件的优化，研究复杂条件下的单机分离性能变化规律及环流机制。本项目的开展将为深入理解离心机分离理论、提高单机分离效率、自主掌握离心机结构设计准则等提供理论参考和技术积累，对于保证我国核电安全运行有重要意义。

由于超声速、空间有限、跨流区等流动特点，气体离心机内部流场测量很难实现，同时也给理论分析和数值模拟带来很大难度。目前几乎没有能够实现纯粹物理边界的数值模拟，几乎所有的数值模拟均需给定人工边界条件。这也给离心机分离性能优化带来了困难。针对以上问题，本项目开展了相关数值和实验实验研究，1）对离心机取料支臂附近三维流场进行系统的数值模拟，得到了强旋流场中取料支臂性能的变化规律，为二维非线性动力学方程组求解提供了准确的机械驱动条件；2）将同伦算法用于有限差分法求解非线性离心机流体动力学方程组的求解，解决了牛顿迭代法对初值敏感、不易收敛的难题，实现了大扰动条件下的分离区流场计算，并计算分析了端盖扰动的衰减规律；3）使用DSMC+CFD方法实现了离心机中心稀薄流区和粘性流区的耦合计算，首次得到了供料和支臂驱动对分离性能的影响，为离心机分离性能优化提供数方法和工具；4）使用氟利昂350作为模拟气体开展离心机单机分离实验，验证了计算结果的正确性；5）构建了离心机分离性能优化模型，结合三维流场计算数据、二维非线性耦合计算程序、DSMC计算程序，使用全局/局域优化算法，得到了离心机分离性能数字优化设计平台。6）首次采用HLL和HLLC混合格式计算三维全流场，得到了取料支臂对分离腔流场影响的三维分布情况，加深了对强旋流场中扰动传播规律的认识。本项目研究工作为离心机分离性能计算和优化提供了新的方法和工具。