基于MPS方法的气力提升泵内两相流动行为机理研究

The gas-lift pump has significant advantages in dangerous and corrosive liquid transport, and be a wide application prospect in nuclear engineering. In the concept design of the ADS, the traditional mechanical pump in the primary coolant circuit could be replaced by the gas-lift pump to enhance the natural circulation capability. Thus the study of it has important academic significance. This project is carried out the research on the gas-liquid two phase flow mechanism in gas-lift pump with micro and macro studies. Based on the moving particle semi-implicit (MPS) method, with its unique advantages in capturing moving phase interface, the two phase flow numerical models in this system are set up. The rising behaviors of bubble(s) have been simulated. The whole bubble rising process are captured. Then, building resistance model and pressure drop model, analyzing the gas-liquid slip loss phenomenon, the mechanism of gas-liquid two phase flow is studied. Finally, the influences of factors to promoting efficiency, such as pipe diameter, submergence ratio, gas inflow and so on, are revealed. The operational mechanism and optimization design of gas-lift pump are discussed. This research is helpful for revealing the law of complex two phase flow in gas-lift system, laying the solid theoretical basis of nuclear engineering thermal-hydraulic.

气力提升泵具有使用安全、结构简单、耐腐蚀性强等优点，在核能领域应用前景广阔，ADS反应堆采用该泵代替机械泵以提高堆芯自然循环能力，增强系统固有安全性，因此对其深入研究具有重要意义。本项目拟开展气力提升泵内微观与宏观相结合的气液两相流动机理研究，借助无网格-移动粒子半隐式（MPS）法在捕捉移动相界面上的独特优势，建立气液两相流数值计算模型，首先模拟气泡在气力提升泵内从注入到充分发展的瞬态动力学过程，得到各相变形特征、空泡份额等特性参数；然后对该系统中气液两相流流动机理进行深入研究，建立阻力模型、压降模型等，分析气液滑脱损失现象；最后揭示提升立管管径、浸入率、进气量等因素对提升效率的影响，探讨气力提升泵运行机理，优化气力提升系统。研究成果将有助于揭示气力提升泵中气液两相流复杂流动规律 ，是开发金属冷却反应堆的基础问题，为进一步开展气力提升泵技术在核反应堆热工水力领域的应用奠定坚实理论基础。

气力提升泵具有使用安全、结构简单、耐腐蚀性强等优点，在核能领域应用前景广阔，ADS反应堆采用该泵代替机械泵以提高堆芯自然循环能力，增强系统固有安全性，因此对其深入研究具有重要意义。本研究开展气力提升泵内微观与宏观相结合的气液两相流动机理研究，首先基于移动粒子半隐式方法（MPS）数值模拟了静止和流动的铅铋合金中单个气泡从初始到充分发展过程中的瞬态动力学行为，得到了静止与不同流速下的铅铋合金流体中，气泡上升形状、速度和纵横比的变化趋势，对XADS反应堆气泡提升泵中铅铋合金与惰性气体两相流动进行了基础研究。其次，对带有气泡泵的简化加速器驱动次临界反应堆进行瞬态安全特性研究，自主开发程序TASAR（Transient Analysis of Simplified ADS Reactor），对典型事故工况——气泡泵启动事故（SG）、无保护失去流动事故（ULOF）、短时失束事故（BT）、无保护束流超功率事故（UTOC）和无保护瞬态超功率事故（UTOP）等进行模拟分析研究。再次，采用Fluent软件，数值模拟了液体温度为20℃、60℃、90℃时空气-水气力提升系统的提升性能变化，以及氮气-水、氮气-煤油、氮气-水银及空气-水、氩气-水、氮气-水下气力提升系统内气液两相流动行为，分析了系统稳定时提升立管内气相体积分数、提升液体流量、提升效率、提升管出口处液体径向速度的变化规律。最后，搭建气力提升泵实验台架，开展不同进气方式和提升立管内径对其提升性能影响的实验研究，采用高速摄像机获得管内气液两相流型及喷嘴处气泡生成运动特性，并通过理论分析，建立气力提升泵理论模型，与试验结果进行对比分析。研究成果将有助于揭示气力提升泵中气液两相流复杂流动规律，是开发金属冷却反应堆的基础问题，为进一步开展气力提升泵技术在核反应堆热工水力领域的应用奠定坚实理论基础。