论文部分内容阅读
沸腾传热和汽液两相流广泛存在于核反应堆系统中，沸腾传热和汽液两相流的分析和研究以汽泡动力学为基础，汽泡的动力学行为，如汽泡的产生、生长、脱离、上升、变形、分裂、碰撞、合并以及破裂等过程，是深入研究汽液两相流沸腾传热的基础，汽泡在自由液面处破裂而携带出小液滴，是影响蒸汽发生器汽水分离器效率和液池内气溶胶释放的关键物理过程。因此十分有必要对汽液两相流的汽泡动力学特性开展深入研究。
本文首先基于自由表面模型改进现有的格子Boltzmann方法，在开源程序的基础上开发适用于两相流汽泡动力学研究的自由表面格子Boltzmann方法计算程序FSLBM，并通过方腔流和液滴变形基准题对其进行验证。然后建立了汽泡在流场中的上升、变形、碰撞和合并行为的数值分析模型，分析单个汽泡上升过程中的形状、速度变化过程，研究了多个汽泡同轴和异轴合并过程中的形状、速度场分布、上升速度等特性参数的变化情况。获得了不同厄特沃什数和莫顿数下上升汽泡的动态演变过程，得到了汽泡上升过程中雷诺数随时间的变化情况，将数值模拟获得不同厄特沃什数和莫顿数时上升汽泡的最终形状和雷诺数与实验结果进行了比较，模拟结果与实验结果吻合较好。分析了汽泡数量和相对位置对合并过程中汽泡形状和速度场的影响规律，揭示了前导汽泡对尾流汽泡的影响机制。受前导汽泡尾流影响，尾随汽泡加速接近前导汽泡并发生合并。最后建立了单个和多个汽泡上升到自由液面处发生破裂这一过程的数值分析模型，通过数值模拟获得了汽泡在自由液面处的破裂过程，研究汽泡尺寸、流体物性等参数以及多个汽泡相互作用对汽泡破裂及产生膜液滴的影响。汽泡在自由液面破裂并产生膜液滴的过程与汽泡尺寸和流体物性参数密切相关，不同厄特沃什数和莫顿数条件下液膜破裂速度和膜液滴和数量和分布不同。由上方汽泡破裂产生的液面波动可以减缓下方汽泡破裂时的激烈程度。在厄特沃什数和莫顿数较大的情况下，减小相邻汽泡间距会提前汽泡的破裂时间。对于厄特沃什数和莫顿数较小的情况，相邻汽泡间距对汽泡破裂的影响几乎没有。
本论文在格子Boltzmann方法开源程序的基础上，开发了汽泡自由表面分析模型，形成绝热条件下的两相汽泡动力学程序FSLBM，可用于研究汽泡在流场中的上升、变形、合并以及汽泡在自由液面处的破裂过程，获得了绝热条件下汽泡在不同流动条件下的动力学行为规律，相关研究成果可以为两相流动传热机理研究和反应堆安全运行提供基础支持。
本文首先基于自由表面模型改进现有的格子Boltzmann方法，在开源程序的基础上开发适用于两相流汽泡动力学研究的自由表面格子Boltzmann方法计算程序FSLBM，并通过方腔流和液滴变形基准题对其进行验证。然后建立了汽泡在流场中的上升、变形、碰撞和合并行为的数值分析模型，分析单个汽泡上升过程中的形状、速度变化过程，研究了多个汽泡同轴和异轴合并过程中的形状、速度场分布、上升速度等特性参数的变化情况。获得了不同厄特沃什数和莫顿数下上升汽泡的动态演变过程，得到了汽泡上升过程中雷诺数随时间的变化情况，将数值模拟获得不同厄特沃什数和莫顿数时上升汽泡的最终形状和雷诺数与实验结果进行了比较，模拟结果与实验结果吻合较好。分析了汽泡数量和相对位置对合并过程中汽泡形状和速度场的影响规律，揭示了前导汽泡对尾流汽泡的影响机制。受前导汽泡尾流影响，尾随汽泡加速接近前导汽泡并发生合并。最后建立了单个和多个汽泡上升到自由液面处发生破裂这一过程的数值分析模型，通过数值模拟获得了汽泡在自由液面处的破裂过程，研究汽泡尺寸、流体物性等参数以及多个汽泡相互作用对汽泡破裂及产生膜液滴的影响。汽泡在自由液面破裂并产生膜液滴的过程与汽泡尺寸和流体物性参数密切相关，不同厄特沃什数和莫顿数条件下液膜破裂速度和膜液滴和数量和分布不同。由上方汽泡破裂产生的液面波动可以减缓下方汽泡破裂时的激烈程度。在厄特沃什数和莫顿数较大的情况下，减小相邻汽泡间距会提前汽泡的破裂时间。对于厄特沃什数和莫顿数较小的情况，相邻汽泡间距对汽泡破裂的影响几乎没有。
本论文在格子Boltzmann方法开源程序的基础上，开发了汽泡自由表面分析模型，形成绝热条件下的两相汽泡动力学程序FSLBM，可用于研究汽泡在流场中的上升、变形、合并以及汽泡在自由液面处的破裂过程，获得了绝热条件下汽泡在不同流动条件下的动力学行为规律，相关研究成果可以为两相流动传热机理研究和反应堆安全运行提供基础支持。