兩相流動(dòng)概述

第一課兩相流動(dòng)概述

尚智上海交通大學(xué)核工系一、概述氣固兩相流動(dòng)

氣體與固體顆粒一起流動(dòng)，如鍋爐內(nèi)部的空氣、煤粉的流動(dòng)；煙囪煤煙在空氣中的擴(kuò)散固液兩相流動(dòng)

固體顆粒在液體內(nèi)部的流動(dòng)，如泥漿的流動(dòng)氣液兩相流動(dòng)

氣體在液體中的流動(dòng)過(guò)程，是本門(mén)課程主要講述的內(nèi)容，如管道內(nèi)部的氣泡在液體中的流動(dòng)氣液（汽液）兩相流動(dòng)的應(yīng)用氣液兩相流動(dòng)與傳熱廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力工程、核能工程、石油化工、低溫工程、航天以及制冷、食品、冶金等工業(yè)的基本物理過(guò)程。然而，氣液兩相流動(dòng)由于兩相的共存且相界面形狀不規(guī)則與變形等復(fù)雜性因素，對(duì)于氣液兩相流動(dòng)的理解還遠(yuǎn)不充分，深入的研究尚有很長(zhǎng)的路要走。電站鍋爐的氣液兩流動(dòng)氣液兩相流動(dòng)在電站鍋爐中，主要發(fā)生在爐膛內(nèi)水冷壁內(nèi)管道的水蒸發(fā)過(guò)程，以及屏式過(guò)熱器、減溫器等部件內(nèi)。核電站汽液兩相流動(dòng)核電站汽液兩相流動(dòng)會(huì)發(fā)生在堆芯、二回路及冷凝器中二、汽液兩相流動(dòng)的基本研究方法(1)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式法：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式時(shí)工程兩相流體動(dòng)力學(xué)中最常用的方法。經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式應(yīng)用方便，但并不揭示問(wèn)題的物理本質(zhì)。雖然如此，由于兩相流動(dòng)的復(fù)雜性及該學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀，目前許多工程應(yīng)用還必須求助于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。(2)簡(jiǎn)單模型分析法：這是一種常用的工程模型分析法，它并不細(xì)致分析流動(dòng)特性，而是選擇關(guān)鍵特征并引入物理假定來(lái)建立供分析用的模型。氣液兩相流中常用的均相模型、分相模型以及適用于特定流型的一些分析法等都屬于此類(lèi)方法。(3)微分分析法：建立由質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程組、邊界條件以及結(jié)構(gòu)方程構(gòu)成合適的閉合兩相流動(dòng)基本場(chǎng)微分方程組，由此解出兩相參數(shù)分布。兩流體模型便是一例。此種方法在絕大多數(shù)情況下計(jì)算十分復(fù)雜，目前尚不能在實(shí)際設(shè)計(jì)中廣泛運(yùn)用。但可以用這種方法研究如何改善工程基本特性和分析變化趨勢(shì)。例如，用于反應(yīng)堆事故分析、兩相流動(dòng)穩(wěn)定性定性分析等。(4)普適現(xiàn)象分析法：所謂普適現(xiàn)象是指與流型、分析模型及具體系統(tǒng)無(wú)特殊聯(lián)系的一些普遍物理現(xiàn)象。據(jù)此建立的分析方法便稱為普適現(xiàn)象分析法。例如，運(yùn)用波動(dòng)原理、極值原理等求解所研究的物理問(wèn)題，流動(dòng)不穩(wěn)定性分析便是一個(gè)具體實(shí)例。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）研究方法此方法是近些年來(lái)剛剛興起的一種流體力學(xué)數(shù)值研究方法，它是用計(jì)算機(jī)對(duì)已有的流體力學(xué)守恒微分方程進(jìn)行編程離散求解，通過(guò)解得的離散解來(lái)模擬這個(gè)流體流場(chǎng)的流動(dòng)與傳熱情況，得到滿足實(shí)際工程需要的結(jié)果。三、課外新知識(shí)（CFD）了解CFD的英文全稱是ComputationalFluidDynamics，中文：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)或計(jì)算流體力學(xué)。CFD求解問(wèn)題的基本思想如下：傳熱問(wèn)題固體的傳熱—導(dǎo)熱流體的傳熱—對(duì)流與導(dǎo)熱熱輻射數(shù)學(xué)物理模型能量守恒方程質(zhì)量守恒方程固體可以認(rèn)為是流體的特例（v=0）輻射可以作為是能量方程的特殊源項(xiàng)無(wú)法直接求解微分方程流動(dòng)問(wèn)題流體（氣體、液體、固體顆粒）伴隨著傳熱數(shù)學(xué)物理模型Navier-Stokes方程能量守恒方程質(zhì)量守恒方程無(wú)法解析求解微分方程能量守恒方程質(zhì)量守恒方程動(dòng)量守恒方程求解過(guò)程CFDCFD技術(shù)涉及的知識(shí)流體力學(xué)（包括湍流、可壓縮、不可壓縮、氣體動(dòng)力學(xué)、兩相流、分子流動(dòng)模型等）傳熱學(xué)計(jì)算方法計(jì)算機(jī)圖像處理等CFD的主要環(huán)節(jié)建立數(shù)學(xué)物理模型數(shù)值算法求解網(wǎng)格劃分技術(shù)結(jié)果可視化CFD的過(guò)程示意用CFD計(jì)算的一些結(jié)果展示四、核反應(yīng)堆的發(fā)展1.第一代核電站

第一代反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)受核燃料循環(huán)制約的影響，上世紀(jì)50-60年代，還沒(méi)有掌握鈾濃縮工業(yè)技術(shù)，反應(yīng)堆運(yùn)行只能使用天然鈾，以石墨或重水為慢化劑。從開(kāi)發(fā)更大功率動(dòng)力堆的角度來(lái)看，這些反應(yīng)堆具有一定的優(yōu)點(diǎn)（熱工水力效率高、可優(yōu)化利用堆芯內(nèi)的鈾等），但也有許多技術(shù)上的問(wèn)題（造價(jià)高、難于提高更大功率反應(yīng)堆的安全性等），相比之下，不如水堆（壓水堆、沸水堆）的經(jīng)濟(jì)性能好。2.第二代核電站

目前，世界各國(guó)在運(yùn)行的核電站基本都屬于第二代反應(yīng)堆技術(shù)。第二代反應(yīng)堆的誕生有其必然性：一方面，核能在70年代提高了競(jìng)爭(zhēng)力；另一方面，一些國(guó)家意識(shí)到化石能源市場(chǎng)的緊張局勢(shì)，希望通過(guò)發(fā)展核能，減少對(duì)能源進(jìn)口的依賴性。最近二十年，商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋提高了核能的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能，與化石燃料發(fā)電電價(jià)比較，核電電價(jià)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性，廢氣、廢液排放遠(yuǎn)低于國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)。目前，全球已經(jīng)積累了10000堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，完全可以證明核電技術(shù)進(jìn)入了成熟階段。目前法國(guó)共有19個(gè)核電站，58個(gè)核電反應(yīng)堆。這些第二代核電站大多建于上世紀(jì)八十年代，他們淘汰了五六十年代的第一代核反應(yīng)堆技術(shù)。其中位于上萊茵省的菲森恩核電站最早于1977年并網(wǎng)發(fā)電。3.第三代核電站

第三代反應(yīng)堆的特性比較符合形勢(shì)的發(fā)展，盡管在運(yùn)行機(jī)組的安全性已經(jīng)很高，但其研發(fā)工作仍以提高安全性為重點(diǎn)，同時(shí)還保持了最好的經(jīng)濟(jì)性能。設(shè)計(jì)特點(diǎn):第三代反應(yīng)堆一方面提高了安全冗余系統(tǒng)的性能，以減少事故發(fā)生的概率；另一方面，設(shè)計(jì)了事故狀態(tài)下非能動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)。此外，在設(shè)計(jì)方面采取了必要的措施，主要是在壓力殼下部設(shè)一個(gè)堆芯熔化物收集裝置，限制反應(yīng)堆熔堆事故造成的后果。核安全是第三代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。為提高反應(yīng)堆的安全性能，主要從以下四個(gè)方面開(kāi)展工作：——盡量降低放射性的劑量率；——設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)，將事故狀態(tài)恢復(fù)到安全狀態(tài)；——降低熔堆概率：一方面降低初始事件的發(fā)生概率，另一方面提高安全系統(tǒng)的可靠性?！獓?yán)重事故狀態(tài)下，通過(guò)加強(qiáng)安全殼的安全性（采用堆芯熔化物收集裝置、氫氣復(fù)合器、安全殼采用雙層鋼襯里等），將影響限制在場(chǎng)區(qū)內(nèi)。第三代核電站的現(xiàn)狀第三代國(guó)際上剛開(kāi)發(fā)出來(lái)，還沒(méi)正式建造，它從理論上、設(shè)計(jì)上、道理上講的確是更安全，但是也還要經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)行時(shí)間，用實(shí)踐來(lái)證明它是好的。目前世界上的核電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第三代。第二代成熟的核電技術(shù)法國(guó)、美國(guó)、加拿大、俄羅斯等國(guó)家都已經(jīng)掌握了，而第三代核電技術(shù)只有美國(guó)、法國(guó)掌握。目前法國(guó)正在著手研究建設(shè)第三代核電站；美國(guó)也在聯(lián)合其它核電先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家進(jìn)行第四代核電站的研究論證工作。國(guó)內(nèi)核電的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)在基本上專家和領(lǐng)導(dǎo)意見(jiàn)接近一致，就是先少量的還建幾套二代的（核電站），與此同時(shí)有直接和國(guó)外合作建第三代的，以后，再系列地成批發(fā)展第三代的。4.第四代核電站

只是設(shè)立國(guó)際第四代核能系統(tǒng)論壇。目前，參與論壇的共有包括阿根廷、巴西、加拿大、法國(guó)、日本、韓國(guó)、南非、瑞士、英國(guó)和美國(guó)等十個(gè)會(huì)員國(guó)。論壇的基本原則是：承認(rèn)核能在可持續(xù)發(fā)展背景下具有滿足全球能源日益增長(zhǎng)需求的優(yōu)勢(shì)，承認(rèn)核能有利于防止氣候變化。這個(gè)原則已經(jīng)明確寫(xiě)入了論壇的總章，具體行動(dòng)是通過(guò)國(guó)際研發(fā)合作，選擇、開(kāi)發(fā)和促進(jìn)2030年前后建設(shè)的第四代核能系統(tǒng)。初步選定的第四代核能系統(tǒng)初選六個(gè)核能系統(tǒng)。這六個(gè)核能系統(tǒng)是：兩種高溫氣冷堆，兩種液態(tài)金屬（鈉、鉛合金）堆，一種超臨界水堆和一種熔鹽堆。其中四種堆型屬于快中子堆，五種采用閉式循環(huán)技術(shù)，可完全重新循環(huán)利用全部錒系元素。下面是篩選后確定的六種堆型：1、HTR：用氦冷特高溫（1000-1200度）反應(yīng)堆，主要用于制氫，或制氫/發(fā)電共用；

2、GFR：用氦氣作載熱劑的快中子反應(yīng)堆；

3、SFR：用鈉作載熱劑的快中子反應(yīng)堆

4、LFR：用鉛合金作載熱劑的快中子反應(yīng)堆；

5、SCWR：超臨界水堆；

6、SR：熔鹽反應(yīng)堆。

5.未來(lái)的核電發(fā)展前景

可控?zé)岷司圩兒朔磻?yīng)堆是未來(lái)核電的發(fā)展目標(biāo)