基于MPS方法的液态铅铋内气泡上升流模拟及气泡泵提升自然循环机理研究

液态金属冷却反应堆概念设计中可采用气泡提升泵代替传统机械泵以提高系统固有安全性。大密度比液态金属-惰性气体两相流呈现出与常规气液两相流不同的特征而相关研究较为匮乏。本研究拟基于移动粒子半隐式(MPS)方法对竖直管内液态金属-惰性气体泡状流特征进行模拟研究，利用粒子法在捕捉移动相界面方面的优势得到宽参数范围下液体铅铋内直观的气泡动力学行为，建立气泡上升流过程中变形特征、空泡份额分布、相滑移速度及相分布系数等的内在联系；进而结合漂移流和双流体模型思想建立针对气体-液态铅铋的多流型两相压降预测模型；针对具体对象进行耦合分析以揭示气泡泵提升系统自然循环能力的规律，为系统安全和冷却设计优化提供理论依据。本研究有助于揭示大密度比液态金属-惰性气体两相流机理，是开发先进金属冷却反应堆的基础问题，也为MPS进一步应用于核反应堆热工水力分析奠定基础。

本项目在充分调研液态金属冷却反应堆研究前沿的基础上，重点开展了如下工作：（1）基于移动粒子半隐式方法对液态金属-惰性气体泡状流进行模拟研究，利用粒子法在捕捉移动相界面方面的优势得到宽参数范围下池式静止和管束流动状态中液体金属内直观的单个上升气泡动力学行为、气泡上升速度、最终速度和纵横比的变化趋势，并与Grace关系图和经验关系式计算结果进行对比。（2）基于MPS方法对过冷水中单个蒸汽泡冷凝行为与汽泡对的融合行为进行了数值模拟研究，得出汽泡冷凝寿命与汽泡初始尺寸呈近似线性关系，以及汽泡在融合过程中的形变特性、融合前后汽泡上升速度的变化。（3）基于MPS方法对液态铅铋合金中单个弹状气泡的垂直上升行为进行数值模拟，得到弹状气泡上升过程的形态变化、气泡最终上升速度拟合直线以及下降液膜厚度与下降液膜中的轴向速度分布，部分数值模拟结果与文献中的实验结果进行比较。（4）基于MPS方法对加热面水平、竖直和450倾斜放置时流动泡核沸腾中一个汽泡的成长至脱离过程进行了二维数值模拟，并将数值模拟结果与实验结果进行对比。（5）针对铅铋合金冷却反应堆中气泡泵提升自然循环能力进行数值模拟研究，编制LENAC程序，基于漂移流模型，采用空泡份额预测模型和摩擦压降预测模型分析气体质量流量、质量含气率、气泡直径、上升管道高度对气泡泵提升自然循环能力的影响。揭示了气泡泵提升自然循环能力的规律，为堆芯冷却优化和系统安全提供理论基础。本项目研究有助于揭示大密度比液态金属-惰性气体两相流机理，以及为MPS方法进一步应用于汽泡动力学数值模拟打下基础，同时是开发先进金属冷却反应堆的基础问题，也为气泡泵提升自然循环机理且应用于核反应堆热工水力分析奠定基础。