熔盐堆鼓泡脱气技术中微气泡生成规律及机理研究

发布时间：2020-06-01 05:54

【摘要】：熔盐堆作为第四代反应堆的一种堆型有非常良好的发展前景,熔盐堆在运行的过程中会产生放射性裂变气体—氪、氙等,裂变气体具有较大的中子吸收截面,被称为“中子毒物”,会影响反应堆的经济性,因此,裂变气体的脱除技术是熔盐堆发展的技术瓶颈之一。针对熔盐堆中熔盐的高粘度、高密度、高表面张力等特殊物性,国际上提出了鼓泡-脱气技术用于熔盐堆中裂变气体的脱除的技术方案。鼓泡-脱气技术是利用文丘里鼓泡器在熔盐冷却剂中产生气泡,然后裂变气体通过传质作用进入到气泡当中,最后利用分离器把含有裂变气体的气泡分离出来,最终实现裂变气体的在线脱除。根据传质理论,鼓泡器产生的气泡直径越小,传质效率越高,但是小气泡的分离难度增大,所以如何产生合适大小的气泡,以及如何控制气泡大小成为关键。本文针对鼓泡-脱气技术中的文丘里鼓泡器的气泡产生机理开展了研究,通过可视化试验的方法得到气泡尺寸随介质物性参数、流动参数以及文丘里鼓泡器几何参数的变化;通过理论研究、试验研究、数值计算的方法对文丘里鼓泡器孔口气泡的脱落特性进行了研究;最后通过可视化试验及粒子图像测速PIV测试技术得到文丘里鼓泡器扩散段气泡破碎的准则判别式。本文具体研究内容主要包括以下几个方面:(1)鼓泡器鼓泡性能的宏观规律研究。利用试验研究的方法,对不同流动参数及不同物性参数条件下的文丘里鼓泡器内气泡的生成特性进行了研究。其中,通过改变液体的流量(或者说液体雷诺数)及气体的含气率来改变文丘里鼓泡器的流动参数;通过改变液体的浓度,来改变液体介质物性参数,如密度、粘度、表面张力等。通过研究发现,气泡的Sauter平均直径与液体雷诺数的-1.0次方成正比,与含气率呈线性关系,与液体表面张力的0.6次方成正比,与液体粘度的-0.1次方成正比,与液体密度的-0.5次方成正比,这和理论预测气泡大小的结论比较吻合。利用试验研究的方法,对不同的几何参数条件下的文丘里鼓泡器内气泡的尺寸及分布规律进行了研究。通过改变文丘里鼓泡器的通气孔孔口直径,孔口个数以及扩散段角度大小来改变鼓泡器的几何参数。通过研究发现,气泡的概率密度成经典的对数正态分布,Sauter平均直径不依赖于孔口直径及孔口数量的变化而变化,而扩散角是控制最终气泡尺寸的最关键参数。(2)鼓泡器气泡生成的流动机理研究,包括文丘里鼓泡器喉部孔口脱落特性研究和鼓泡器扩散段气泡碎化的机理研究。首先,利用力学平衡方程,提出了孔口气泡脱落的理论简化模型;其次,利用试验的方法,获得气泡生成模式、脱落容积及频率等随着气体流速、液体流速、液体浓度的变化,以及气泡初生、长大、脱离过程中气泡行为演化规律;最后,利用数值计算的方法,对气泡的长大及脱落进行了模拟。通过研究发现,气泡脱落有三种典型模式:单气泡模式、多脉冲气泡模式以及射流模式;气泡的脱落频率一般在500-1000;气泡脱落的尺寸主要取决于气泡依附于气体孔口的时间以及气体的流量;压力和质量流量的波动是影响气泡形成和气泡脱离的重要因素。针对扩散段气泡的碎化机理,首先采用PIV测试技术,获得扩散段内的速度场、雷诺应力以及湍动能等流场的信息,其次采用可视化试验的方法,利用高速摄像机,获得单个气泡的变形、破碎过程,并对不同雷诺数下单气泡的破碎特性进行分析,最后结合可视化试验的单气泡破碎分析与PIV测试的流场信息,最终获得气泡发生破碎的准则,即在本试验条件下,当临界韦伯数大于7时,气泡才有可能发生破裂。综上所述,通过本文对熔盐堆鼓泡-脱气技术中气泡生成机理研究。从宏观上得到了文丘里鼓泡器内气泡尺寸与与流动参数、几何参数、物性参数的关系,为文丘里型鼓泡器的设计提供了设计依据;在微观上,揭示了气泡脱落及碎化的机理,并提出了气泡破裂的准则,为气泡碎化过程的数值建模提供了数据支撑。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL426

【参考文献】