核乏燃料后处理用涡流二极管泵送系统内流特性及稳定性研究

基于不同流向下具有高阻比特性的涡流二极管泵送系统因不含运动部件，可实现免维护功能而成为核乏燃料后处理流程中的主要输液装置之一。本项目针对定常振荡条件下涡流二极管在不同流向时的内部流动结构、发展演化特征及其与高阻比特性的内在联系展开深入研究，通过涡流二极管内部流动的PIV测试揭示涡流二极管在定常振荡条件下内部流动的涡结构特征和演化过程，发展强旋流动下的动态亚格子湍流模式，开展二极管泵内大涡湍流的DES计算，充分把握二极管泵内自由涡和强制涡的发展转换过程、特征及其于阻力特性的内在关系。在此基础上，建立涡流二极管泵送系统水力特性的预测模型，基于流动稳定性理论分析系统稳定运行的条件，确立涡流二极管泵送系统的设计准则。为我国尽早实现核乏燃料免维护泵送系统的自主研发提供技术支撑，同时丰富有限空间内涡的发展、转化机理、结构变化特征及其流动阻塞效应等方面的研究内容。

涡流二极管泵送系统因不含运动部件及可实现免维护等优势，而成为核乏燃料后处理流程中的主要输液装置之一。本项目针对涡流二极管在不同流向时内部流动结构、发展演变过程及其与高阻比特性内在联系进行深入研究，旨在揭示涡流二极管内部流动产生高阻抗机理及其影响流动稳定性因素。主要内容包括涡流二极管内部稳态流动的数值计算及试验观测、瞬态流动涡结构的发展特征及空化发生发展过程、泵送系统水力特性的预测和稳定性试验研究。在涡流二极管内部稳态旋流涡结构的研究中，通过计算及试验考察涡流腔内部流体旋流强度及其变化特征，将涡流腔分为两个区域：极限半径外部满足角动量守恒区域的自由涡区，极限半径内切向速度满足w=kr的强制涡区，通过分区描述涡流二极管泵体内稳态旋流的涡结构特征，较好的把握了反向稳定流动时内部涡结构的空间排布和变化界定，试验结果表明，涡流腔内部稳定旋流用简单的自由涡、强制涡并附加小区域的过渡区进行描述是合理的；对旋流腔内瞬态流动涡结构的发展特征，基于涡流二极管内部瞬态流动特征，发展了强旋流动下的湍流模式，开展了二极管泵内大涡湍流的DES计算，揭示了二极管泵内自由涡和强制涡的发展转换过程、特征及其与阻力特性的内在联系；在涡流二极管内部旋流空化现象的研究方面，发展了工作液体内旋流低压气化与不可凝结溶解气体旋流析出的双作用计算模型，对涡流二极管内旋流空化的发生发展过程进行了不同条件下的系列数值模拟，模拟结果细致的捕捉到了旋流空化的产生、发展、成长、成熟和破灭过程，并对该系列变化过程进行了试验测试和同步捕捉，结果表明数值计算所获得的空化带发展阶段的时间节点和各阶段形态与试验结果较为一致，这对揭示涡流二极管内旋流空化发展演化过程及其对涡流二极管流阻特性变化的影响具有重要理论意义和实际价值；为研究涡流二极管泵送系统的水力特性及其影响因素，自主设计搭建了涡流二极管单体实验装置和泵送系统综合试验装置，详细研究了气源压力、供液槽液位、气液换能筒的有效容积等因素对泵送系统的影响，通过涡流二极管泵送系统水力特性及稳定性试验，建立了涡流二极管泵送系统水力特性预测方法和稳定性运行条件。