球床多孔介质通道单相流体流动特性研究

摘要

本文以球床水冷反应堆为研究背景，对管内填充玻璃球构成的球床多孔介质通道内单相水的流动特性进行了可视化研究。实验采用的有机玻璃管的内径为50mm，填充玻璃球直径分别为2mm、3mm、5mm和8mm，相应的孔隙率为0.366、0.395，0.384和0.408。实验在常压下进行，流速范围为1.08～3755.5kg/h。
　　 多孔介质内的流动特性计算中比较常用的有Forchheimer模型和Izbash模型。通过与实验数据对比分析，发现Forchheimer方法计算更为准确，物理意义也更加明显。还将几种典型的以Forchheimer计算模型为基础的Ergun型经验公式与实验数据进行了对比分析，结果表明此类公式在低流速时能与实验数据符合较好，但随着流速的提高误差呈现增加的趋势。虽然根据无量纲压降随雷诺数变化趋势的不同，确定出了多孔介质通道内不同流区的转换边界，但是分区拟合方法得到的Ergun型经验公式在分区点的粘性阻力项和惯性阻力项计算值不连续；采用不分区拟合的方法，计算精度又相对较低。引入边界效应的影响，以Forchheimer计算模型为基础，给出了新的阻力压降计算公式，其平均相对误差为5.92％，最大相对误差小于12％。
　　 本文还对流动特性进行了示踪观察和压力波动分析。在多孔介质通道内不同流态的流体呈现出不同的流动特征和压力波动变化特性。在Forchheimer区，流体流线存在交叉和分离现象，压力脉动相对较小；在湍流区，压力脉动相对较大。多孔介质内的流体同时还存在着滞流、回流以及弥散等现象。
　　 最后，利用Fluent计算软件对多孔介质中单相流体流动进行了数值模拟，并将计算结果与实验数据进行了对比分析。结果表明，利用Fluent软件中的简化多孔区域物理模型计算多孔介质中流体流动，一方面在流速较高区域计算出的阻力压降误差较大；另一方面，由于该模型对多孔区域进行了简化，因而不能真实的模拟出多孔介质中流体流动的速度矢量场。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景及意义

1.2国内外发展现状

1.2.1研究概况

1.2.2数值计算研究现状

1.2.3实验研究现状

1.3多孔介质流动特性研究存在的问题

1.4本文的主要工作

第2章实验系统和实验设计

2.1实验装置系统

2.1.1循环水系统

2.1.2测量系统

2.2实验段设计

2.3实验台的调试与安装

2.3.1实验回路的安装与调试

2.3.2测量仪表的安装

2.3.3测量仪表的标定

2.4实验操作步骤及注意事项

2.4.1实验操作步骤

2.4.2实验注意事项

2.5本章小结

第3章球床多孔介质阻力压降实验研究

3.1阻力压降变化特性

3.2对已有经验公式的对比分析

3.2.1阻力压降与两种计算模型的对比分析

3.2.2阻力压降与Ergun型经验公式的对比分析

3.3阻力压降公式的分区拟合

3.3.1流态区间的划分

3.3.2分区拟合

3.4流动机理分析

3.5 Ergun计算模型的改进

3.6本章小结

第4章流动特性的示踪分析和压力波动分析

4.1可视化实验方法

4.2实验现象及分析

4.2.1滞留现象

4.2.2粘滞力起主导作用的层流现象

4.2.3惯性力起主导作用的层流现象

4.2.4 弥散现象

4.3压力波动分析

4.4本章小结

第5章Fluent软件数值模拟计算

5.1 Fluent软件中简化多孔介质物理模型的介绍

5.1.1多孔介质模型的限制

5.1.2多孔介质的简化数学模型

5.1.3 Fluent计算步骤

5.2结果与分析

5.2.1阻力压降计算值与实验值的对比分析

5.2.2压力分布图和速度分布图

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果

致 谢