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1、多液滴運動和碰撞模型研究(申請清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文)培養(yǎng)單位：核能與新能源技術(shù)研究院學(xué)科：核科學(xué)與技術(shù)研究生：張璜指導(dǎo)教師：薄涵亮研究員二○一五年四月MotionandcollisionmodelsofpolydisperseddropletsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinNuclearScienceandTechnologyby
2、ZhangHuangDissertationSupervisor:ProfessorBoHanliangApril,2015摘要摘要汽水分離器為壓水堆型核電站中蒸汽發(fā)生器的重要設(shè)備，其主要作用是去除濕蒸汽流中夾帶的液滴，為汽輪機提供干飽和蒸汽，以保證核電站運行的安全性與經(jīng)濟性。汽水分離器內(nèi)部的主要流動型態(tài)是蒸汽攜帶液滴的流動，因此研究大量液滴在蒸汽流中的運動、碰撞規(guī)律，并建立相應(yīng)的理論模型，對分析汽水分離機理，從而設(shè)計和優(yōu)化汽水分離器結(jié)構(gòu)具有重要意義。本文基于拉格朗日—歐拉方法，對分離器內(nèi)的多液滴運動和碰撞行為建立理論模型
3、及提出相應(yīng)的數(shù)值求解方法。首先，從物理層面分析描述多液滴運動行為的變量，通過構(gòu)建拉格朗日和歐拉變量的關(guān)系，建立多液滴運動模型并給出其數(shù)值求解方法。利用公開的實驗數(shù)據(jù)和商用CFD軟件的計算結(jié)果，驗證該模型的正確性。其次，分析和改善了求解特征液滴運動方程的離散格式的數(shù)值穩(wěn)定性；應(yīng)用k-d樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的搜索算法，提高了液滴所在位置流場信息獲取速度；發(fā)展液滴定位算法，增強了液滴所在網(wǎng)格的搜尋效率，從而達(dá)到加速求解多液滴運動模型，進而開發(fā)工程計算程序的目的。隨后應(yīng)用該模型研究熱態(tài)工況下AP1000（AdvancedPassive
4、1000）核電站所采用的汽水分離裝置的工作機理，模擬結(jié)果顯示：初級旋葉式分離器內(nèi)放置的旋葉對液滴有較強的分離作用，內(nèi)套筒開孔位置附近有液滴聚集，外套筒內(nèi)布滿液滴；進入重力分離空間的液滴均能達(dá)到運動平衡狀態(tài)；次級波紋板式分離器的第一級和第三級彎鉤對液滴有較為明顯的分離作用。再次，從厘清液滴碰撞的物理過程出發(fā)，類比模擬中子輸運過程的蒙特卡羅方法，發(fā)展出基于碰撞核函數(shù)的液滴碰撞算法；在已有研究的基礎(chǔ)上，提出判別二元液滴碰撞機制的準(zhǔn)則式和碰撞后新生成液滴大小、速度和數(shù)目的計算公式，從而最終建立多液滴運動碰撞模型。利用解析公式結(jié)果、
5、公開的實驗數(shù)據(jù)和商用CFD軟件的計算結(jié)果，驗證該模型的正確性。最后利用多液滴運動碰撞模型計算典型旋葉式汽水分離器內(nèi)液滴分布并研究其工作機理；模擬AP1000波紋板內(nèi)液滴運動行為，并且通過改變彎鉤形狀和數(shù)目，提出具有較高分離效率和較低流動阻力的波紋板結(jié)構(gòu)；研究室內(nèi)人體飛沫傳播規(guī)律，模擬飛沫在不同通風(fēng)狀態(tài)下的分布范圍，拓展模型的應(yīng)用領(lǐng)域。I摘要關(guān)鍵詞：汽水分離；多液滴；運動；碰撞；IIAbstractAbstractMoistureseparatorisanimportantequipmentofsteamgeneratoro
6、fPWRnuclearpowerplant.Itsmainfunctionistoeliminatethedropletsfromthehumiditysteam,forthedrysteamcanbesuppliedfortheturbinetoensurethesafetyandeconomyofthenuclearpowerplantatoperatingstate.Thefrequentlyhappenedflowregimeinmoistureseparatorissteamflowwithdroplets.Th
7、us,itissiganificanttostudythemotionandcollisionlawsofnumerousdropletsandestablishthecorrespondingmodelsforanalyzingthemechanismofmoistureseparation,designingandoptimizingthestructureofmoistureseparator.UnderLagrangian-Eulerianmethodology,thisthesisproposedthemotio
8、nandcollisionmodelsofpolydisperseddropletsinmoistureseparatorcorrespondingtonumericalsolvingmethods.Firstly,thevariableofdescribingthemotionbehaviorsofp
