【摘要】：熔鹽堆作為第四代反應(yīng)堆的一種堆型有非常良好的發(fā)展前景,熔鹽堆在運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生放射性裂變氣體—氪、氙等,裂變氣體具有較大的中子吸收截面,被稱為“中子毒物”,會(huì)影響反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性,因此,裂變氣體的脫除技術(shù)是熔鹽堆發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。針對熔鹽堆中熔鹽的高粘度、高密度、高表面張力等特殊物性,國際上提出了鼓泡-脫氣技術(shù)用于熔鹽堆中裂變氣體的脫除的技術(shù)方案。鼓泡-脫氣技術(shù)是利用文丘里鼓泡器在熔鹽冷卻劑中產(chǎn)生氣泡,然后裂變氣體通過傳質(zhì)作用進(jìn)入到氣泡當(dāng)中,最后利用分離器把含有裂變氣體的氣泡分離出來,最終實(shí)現(xiàn)裂變氣體的在線脫除。根據(jù)傳質(zhì)理論,鼓泡器產(chǎn)生的氣泡直徑越小,傳質(zhì)效率越高,但是小氣泡的分離難度增大,所以如何產(chǎn)生合適大小的氣泡,以及如何控制氣泡大小成為關(guān)鍵。本文針對鼓泡-脫氣技術(shù)中的文丘里鼓泡器的氣泡產(chǎn)生機(jī)理開展了研究,通過可視化試驗(yàn)的方法得到氣泡尺寸隨介質(zhì)物性參數(shù)、流動(dòng)參數(shù)以及文丘里鼓泡器幾何參數(shù)的變化;通過理論研究、試驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算的方法對文丘里鼓泡器孔口氣泡的脫落特性進(jìn)行了研究;最后通過可視化試驗(yàn)及粒子圖像測速PIV測試技術(shù)得到文丘里鼓泡器擴(kuò)散段氣泡破碎的準(zhǔn)則判別式。本文具體研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:(1)鼓泡器鼓泡性能的宏觀規(guī)律研究。利用試驗(yàn)研究的方法,對不同流動(dòng)參數(shù)及不同物性參數(shù)條件下的文丘里鼓泡器內(nèi)氣泡的生成特性進(jìn)行了研究。其中,通過改變液體的流量(或者說液體雷諾數(shù))及氣體的含氣率來改變文丘里鼓泡器的流動(dòng)參數(shù);通過改變液體的濃度,來改變液體介質(zhì)物性參數(shù),如密度、粘度、表面張力等。通過研究發(fā)現(xiàn),氣泡的Sauter平均直徑與液體雷諾數(shù)的-1.0次方成正比,與含氣率呈線性關(guān)系,與液體表面張力的0.6次方成正比,與液體粘度的-0.1次方成正比,與液體密度的-0.5次方成正比,這和理論預(yù)測氣泡大小的結(jié)論比較吻合。利用試驗(yàn)研究的方法,對不同的幾何參數(shù)條件下的文丘里鼓泡器內(nèi)氣泡的尺寸及分布規(guī)律進(jìn)行了研究。通過改變文丘里鼓泡器的通氣孔孔口直徑,孔口個(gè)數(shù)以及擴(kuò)散段角度大小來改變鼓泡器的幾何參數(shù)。通過研究發(fā)現(xiàn),氣泡的概率密度成經(jīng)典的對數(shù)正態(tài)分布,Sauter平均直徑不依賴于孔口直徑及孔口數(shù)量的變化而變化,而擴(kuò)散角是控制最終氣泡尺寸的最關(guān)鍵參數(shù)。(2)鼓泡器氣泡生成的流動(dòng)機(jī)理研究,包括文丘里鼓泡器喉部孔口脫落特性研究和鼓泡器擴(kuò)散段氣泡碎化的機(jī)理研究。首先,利用力學(xué)平衡方程,提出了孔口氣泡脫落的理論簡化模型;其次,利用試驗(yàn)的方法,獲得氣泡生成模式、脫落容積及頻率等隨著氣體流速、液體流速、液體濃度的變化,以及氣泡初生、長大、脫離過程中氣泡行為演化規(guī)律;最后,利用數(shù)值計(jì)算的方法,對氣泡的長大及脫落進(jìn)行了模擬。通過研究發(fā)現(xiàn),氣泡脫落有三種典型模式:單氣泡模式、多脈沖氣泡模式以及射流模式;氣泡的脫落頻率一般在500-1000;氣泡脫落的尺寸主要取決于氣泡依附于氣體孔口的時(shí)間以及氣體的流量;壓力和質(zhì)量流量的波動(dòng)是影響氣泡形成和氣泡脫離的重要因素。針對擴(kuò)散段氣泡的碎化機(jī)理,首先采用PIV測試技術(shù),獲得擴(kuò)散段內(nèi)的速度場、雷諾應(yīng)力以及湍動(dòng)能等流場的信息,其次采用可視化試驗(yàn)的方法,利用高速攝像機(jī),獲得單個(gè)氣泡的變形、破碎過程,并對不同雷諾數(shù)下單氣泡的破碎特性進(jìn)行分析,最后結(jié)合可視化試驗(yàn)的單氣泡破碎分析與PIV測試的流場信息,最終獲得氣泡發(fā)生破碎的準(zhǔn)則,即在本試驗(yàn)條件下,當(dāng)臨界韋伯?dāng)?shù)大于7時(shí),氣泡才有可能發(fā)生破裂。綜上所述,通過本文對熔鹽堆鼓泡-脫氣技術(shù)中氣泡生成機(jī)理研究。從宏觀上得到了文丘里鼓泡器內(nèi)氣泡尺寸與與流動(dòng)參數(shù)、幾何參數(shù)、物性參數(shù)的關(guān)系,為文丘里型鼓泡器的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù);在微觀上,揭示了氣泡脫落及碎化的機(jī)理,并提出了氣泡破裂的準(zhǔn)則,為氣泡碎化過程的數(shù)值建模提供了數(shù)據(jù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL426

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2691043