蒸汽爆炸相关现象机理的数值模拟研究

论文摘要

蒸汽爆炸是核反应堆发生严重事故时,堆芯熔化后燃料与冷却剂相互作用可能产生的一系列后果之一,对于核电站来说,这就带来了将放射性裂变产物释放到环境中去的风险。因此,蒸汽爆炸在核安全领域是一个重要的研究课题。蒸汽爆炸是一个综合的多相流现象,包括粗混合、触发、传播和膨胀四个阶段,目前蒸汽爆炸过程中的机理还未被完全了解,这阻碍了对蒸汽爆炸现象进行准确预测。本文主要采用数值模拟手段,对蒸汽爆炸过程中的现象机理进行研究,弥补了以往传统的理论与实验研究的不足。由于蒸汽爆炸是一个极复杂的热流体相互作用动力学过程,它对算法的适用性与健壮性都提出了较大挑战。为此,本文使用VOF方法追踪自由界面,并将VOF方法推广到复杂计算区域,存在相变及流体可压缩的情况,独立开发了多相流计算程序。本文通过数值模拟,确定了粗混合阶段膜态沸腾条件下高温颗粒的运动阻力变化规律及主要影响因素,结合理论分析建立了新的阻力模型。该模型包含压差阻力和摩擦阻力,考虑了表面张力及汽液界面形状对压差阻力的影响。与实验数据的对比表明该模型能成功描述高温颗粒在冷却剂中的运动。根据数值模拟结果,本文还对各种基于理论分析与实验数据的圆球表面膜态沸腾传热关系式进行了分析评价。在对单个熔融液滴在压力脉冲作用下热碎化的研究中,发现了Richtmyer-Meshkov不稳定性对蒸汽-冷却剂界面上的初始扰动的增长起了决定作用。数值模拟结果表明,当蒸汽膜坍塌时,冷却剂与熔融液滴表面的接触是非均匀的,直接接触点上由于快速蒸发,会形成高压蒸汽包。蒸汽包在液滴表面形成凹陷,在两个凹陷之间则产生尖峰,尖峰上方蒸汽膜的坍塌不足以阻止尖峰的产生,而是会使尖峰出现分叉。计算结果还表明,压力波通过液滴时的衍射效应是触发热碎化的重要因素。对于水力碎化的数值模拟表明,液滴变形与液滴表面的水力不稳定性是液滴碎化的主要机理。在压力波通过后的初期,没有发生流动分离,液滴后滞止点的压力几乎能够完全恢复,液滴在前后挤压下从中间向外拉伸,在液-液系统中,周围流体与液滴的密度比远大于气-液系统,因此液滴变形在整个碎化过程中尤其重要,对液滴的碎化时间有较大影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 粗混合阶段的研究现状
• 1.2.2 热碎化研究现状
• 1.2.3 水力碎化研究现状
• 1.2.4 界面跟踪数值算法的研究现状
• 1.2.5 界面跟踪数值算法在蒸汽爆炸机理研究中的应用
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 数值模拟方法
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 数值算法
• 2.2.1 适体坐标下的双交错网格
• 2.2.2 适体坐标下的VOF 方法
• 2.2.3 表面张力的模拟
• 2.2.4 对于相变的处理方法
• 2.2.5 可压缩多相流的计算
• 2.3 算法验证
• 2.3.1 有障碍物的二维溃坝
• 2.3.2 水平壁面上的膜态沸腾
• 2.3.3 两相激波管问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 粗混合阶段高温颗粒的运动及传热特性的研究
• 3.1 膜态沸腾条件下高温颗粒下落冷池运动特性的实验研究
• 3.1.1 实验装置与实验材料
• 3.1.2 实验步骤与方案
• 3.1.3 实验结果
• 3.1.4 实验数据分析
• 3.2 球体表面强制对流膜态沸腾的理论分析
• 3.2.1 模型假设与基本方程
• 3.2.2 蒸汽膜厚度的理论解
• 3.3 膜态沸腾条件下高温颗粒的运动阻力特性的数值模拟研究
• 3.3.1 数值研究的模型假设
• 3.3.2 小球运动速度对阻力特性的影响
• 3.3.3 小球温度对阻力特性的影响
• 3.3.4 小球直径对阻力特性的影响
• 3.3.5 饱和膜态沸腾下高温小球的阻力系数关系式的建立
• 3.4 高温颗粒膜态沸腾传热特性的数值模拟研究
• 3.4.1 膜态沸腾对流传热的数值研究
• 3.4.2 热辐射对对流传热的影响
• 3.5 膜态沸腾条件下高温颗粒运动阻力模型的实验验证
• 3.5.1 高温颗粒下落冷池的基本方程
• 3.5.2 高温颗粒在冷却剂中运动的初始状态的确定
• 3.5.3 计算结果及与实验数据的对比
• 3.6 本章小结
• 第四章 触发与传播阶段熔融液滴的碎化
• 4.1 熔融液滴热碎化机理的数值研究
• 4.1.1 热碎化数值模拟的模型假设
• 4.1.2 热碎化的数值模拟结果
• 4.1.3 热碎化的机理分析
• 4.2 熔融液滴水力碎化的数值研究
• 4.2.1 水力碎化数值模拟的模型假设
• 4.2.2 水力碎化的数值模拟结果
• 4.2.3 水力碎化的机理与碎化时间
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 论文的创新点
• 5.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文