多液滴运动和碰撞模型研究

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1、多液滴运动和碰撞模型研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：核能与新能源技术研究院学科：核科学与技术研究生：张璜指导教师：薄涵亮研究员二○一五年四月MotionandcollisionmodelsofpolydisperseddropletsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinNuclearScienceandTechnologyby

2、ZhangHuangDissertationSupervisor:ProfessorBoHanliangApril,2015摘要摘要汽水分离器为压水堆型核电站中蒸汽发生器的重要设备，其主要作用是去除湿蒸汽流中夹带的液滴，为汽轮机提供干饱和蒸汽，以保证核电站运行的安全性与经济性。汽水分离器内部的主要流动型态是蒸汽携带液滴的流动，因此研究大量液滴在蒸汽流中的运动、碰撞规律，并建立相应的理论模型，对分析汽水分离机理，从而设计和优化汽水分离器结构具有重要意义。本文基于拉格朗日—欧拉方法，对分离器内的多液滴运动和碰撞行为建立理论模型

3、及提出相应的数值求解方法。首先，从物理层面分析描述多液滴运动行为的变量，通过构建拉格朗日和欧拉变量的关系，建立多液滴运动模型并给出其数值求解方法。利用公开的实验数据和商用CFD软件的计算结果，验证该模型的正确性。其次，分析和改善了求解特征液滴运动方程的离散格式的数值稳定性；应用k-d树数据结构和相应的搜索算法，提高了液滴所在位置流场信息获取速度；发展液滴定位算法，增强了液滴所在网格的搜寻效率，从而达到加速求解多液滴运动模型，进而开发工程计算程序的目的。随后应用该模型研究热态工况下AP1000（AdvancedPassive

4、1000）核电站所采用的汽水分离装置的工作机理，模拟结果显示：初级旋叶式分离器内放置的旋叶对液滴有较强的分离作用，内套筒开孔位置附近有液滴聚集，外套筒内布满液滴；进入重力分离空间的液滴均能达到运动平衡状态；次级波纹板式分离器的第一级和第三级弯钩对液滴有较为明显的分离作用。再次，从厘清液滴碰撞的物理过程出发，类比模拟中子输运过程的蒙特卡罗方法，发展出基于碰撞核函数的液滴碰撞算法；在已有研究的基础上，提出判别二元液滴碰撞机制的准则式和碰撞后新生成液滴大小、速度和数目的计算公式，从而最终建立多液滴运动碰撞模型。利用解析公式结果、

5、公开的实验数据和商用CFD软件的计算结果，验证该模型的正确性。最后利用多液滴运动碰撞模型计算典型旋叶式汽水分离器内液滴分布并研究其工作机理；模拟AP1000波纹板内液滴运动行为，并且通过改变弯钩形状和数目，提出具有较高分离效率和较低流动阻力的波纹板结构；研究室内人体飞沫传播规律，模拟飞沫在不同通风状态下的分布范围，拓展模型的应用领域。I摘要关键词：汽水分离；多液滴；运动；碰撞；IIAbstractAbstractMoistureseparatorisanimportantequipmentofsteamgeneratoro

6、fPWRnuclearpowerplant.Itsmainfunctionistoeliminatethedropletsfromthehumiditysteam,forthedrysteamcanbesuppliedfortheturbinetoensurethesafetyandeconomyofthenuclearpowerplantatoperatingstate.Thefrequentlyhappenedflowregimeinmoistureseparatorissteamflowwithdroplets.Th

7、us,itissiganificanttostudythemotionandcollisionlawsofnumerousdropletsandestablishthecorrespondingmodelsforanalyzingthemechanismofmoistureseparation,designingandoptimizingthestructureofmoistureseparator.UnderLagrangian-Eulerianmethodology,thisthesisproposedthemotio

8、nandcollisionmodelsofpolydisperseddropletsinmoistureseparatorcorrespondingtonumericalsolvingmethods.Firstly,thevariableofdescribingthemotionbehaviorsofp