熔盐堆气液分离器气芯形成演化机理研究

Thorium molten salt reactor (TMSR) is one of the Generation 4th nuclear reactors developed in China. To achieve a deep fuel burn-up, the fission gases which have a large capture cross section of neutrons will be removed from the reactor. To do this, this project is focuses on a novel gas-liquid separator applied for the removal of fission gases. The separation efficiency of the separator is mainly dependent on the formation of an air core. In order to reveal the evolution of the air core, experimental, numerical and theoretical studies will be undertaken to investigate on the flow structure of the gas-liquid flow, the gas separation model and the stability conditions for the air core. As a result, gas-liquid two-phase flow numerical model will be established, the air formation characteristics will be correlated with those flow parameters such as gas content, Reynolds number and Weber number and those structure design parameters such as Swirling number, and the conditions which controls the stability of the air core will be proposed. Eventually, an optimal configuration of separator which satisfies high separation efficiency, low pressure loss will be figured out for the development of thorium molten salt reactor.

钍基熔盐反应堆是我国重点开发的第四代核反应堆之一，其中裂变气体的分离是熔盐堆提高中子经济性，实现燃料深燃耗的重要环节。本课题针对一种新型的用于裂变气体分离的旋流分离器，其分离效率决定于旋流气芯的形成机理。为了揭示旋流气芯的演化规律，本项目拟通过实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究分离器气液两相流场的流动结构、气芯的分离模型和气芯的稳定性控制条件，建立气液两相流的数值计算模型，揭示气芯与流动参数（如含气量、雷诺数、韦伯数）和结构参数（旋流数、旋流腔长度）的关联规律，提出控制气芯稳定性的条件，并获得气芯稳定、分离效率高、压降小的分离器参数优化模型，为钍基熔盐堆分离器的设计提供技术支撑。

钍基熔盐反应堆是我国重点开发的第四代核反应堆之一，其中裂变气体的分离是熔盐堆提高中子经济性，实现燃料深燃耗的重要环节。本课题针对一种新型的用于裂变气体分离的旋流分离器，其分离效率决定于旋流气芯的形成机理。为了揭示旋流气芯的演化规律，本项目通过实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究了分离器气液两相流场的流动结构、气泡的分离模型和气芯的稳定性控制条件，建立了气液两相流的数值计算模型，提出了控制气芯稳定性的条件，为钍基熔盐堆分离器的设计提供技术支撑。. 为获得分离器内流场的结构特征，首先采用数值模拟方法提取不同轴向位置圆周速度和轴向速度的分布，利用特征涡得到代数化的流场。采用PIV对分离器内单相流场进行了测量，得到了分离器内轴向位置的速度云图和不同雷诺数对于流场的影响，并验证了数值模拟结果的可信度。还利用欧拉-欧拉多相流建模方法，研究了气泡形成气芯过程中气泡的相间速度分布特征及气芯的形态变化规律。. 气泡分离模型的建立从数值模拟、实验和理论推导三个方面着手。基于欧拉-拉格朗日方法的数值模拟研究得出了影响气泡分离长度两个主要参数是气泡直径和旋流数，并建立了分离长度与两者的关系式。此外，还提出了一种数值计算方法：建立气泡受力的数学模型，获得单个气泡的运动方程与力及液相流场的关联式，高效又准确地预测气泡的分离轨迹。为了验证以上方法的准确性，利用软件TEMA对气泡轨迹进行追踪，获得分离长度。经比较，数值模拟结果与实验结果误差在10%以内。.在气芯形成条件的研究中，利用高速摄像进行可视化实验，发现气芯演化依赖于气泡分离途径，关键控制参数为背压。临界背压值随雷诺数的增加而增加，随旋流数的增加而减小。应用PIV/LIF 和Pulsed Shadowgraph技术获得了气液界面和液相流场结构，定性地看出气芯边界液相速度近似为零，分离器边界速度较小。