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颗粒流散裂靶流动及传热性能的实验模拟研究

刘洋  
【摘要】:散裂靶是加速器驱动次临界系统(ADS)的重要组成部分,颗粒流靶是最新自主提出的一种新型高功率散裂靶,颗粒流靶兼顾固态靶和液态靶的优点,颗粒流无普通流体的流体力学不稳定性,也减缓了靶结构材料腐蚀效应,物理上具有承载更高束流功率的潜力。为了颗粒散裂靶在ADS系统上的运用,相关颗粒流流动和传热物理研究非常必要,尤其是靶区内部和颗粒换热器内部的流动和传热,对颗粒流散裂靶的设计及优化有非常重要的意义。本论文以颗粒流小流量循环系统为基础,进行了倾斜段管道的倾斜角度对三维颗粒流从堵塞流向密集流转变的实验测量,以及密集流-稀疏流的转变对于靶区实验段流量的影响实验研究,结合靶区几何模型的数值模拟分析,发现倾斜角度大于22°颗粒流为密集流可以从倾斜管道顺利流出,而且倾斜角度对颗粒的流速有一定的影响,在类漏斗流的模型中密集状态颗粒流在重力驱动下的流量可以用Beverloo经验公式进行工程预估。针对颗粒流散裂靶样机系统中应用的板式换热器,建立几何模型采用CPFD软件进行数值模拟分析,研究颗粒在板式换热器中的流动及换热过程,结合换热器样机单体宏观实验测量结果,表明换热器入口的换热板对该类换热器的颗粒质量流量没有影响,流动状态为密集流态,其质量流量还是可以通过Beverloo的经验公式进行估算。在保证颗粒流在板式换热器中密集流态的条件下,进一步对换热器的换热过程和换热性能进行了模拟研究。结果表明:考虑颗粒-气体整体与壁面之间的传热过程,在不考虑辐射传热及恒温壁面条件下,若颗粒流速在0.068m/s时,颗粒流板式换热器的平均有效换热系数约为81.43W/(㎡*K),每个换热单层单元颗粒的进出口温差约为28K;换热器模型中,同一高度上颗粒温度的横向分布与通道位置有关,中间位置的颗粒温度变化小于两边位置颗粒相温度变化;轴向颗粒相温度由进口到出口逐渐下降,最后颗粒相达到稳定的温度。模拟还发现颗粒流流速越小,颗粒相进出口温差越大。


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