本书基于液滴在汽水分离器中蒸汽环境运动相变过程现象，建立压力变化条件下静止液滴相变模型；结合液滴三维运动模型，并引入特征液滴思想，建立多液滴运动相变单向耦合模型。基于温差驱动液滴相变机理，建立有限空间内液滴运动相变双向耦合模型。通过分析单液滴蒸发特性，提出液滴蒸发过程的影响域概念，建立考虑影响域的有限空间内液滴运动相变双向耦合模型，并应用到安全壳喷淋系统和定容弹中燃油喷雾系统模拟仿真中。

摘要

汽水分离器和安全壳喷淋系统是确保核反应堆安全可靠运行的至关重要的设备。由于分离器和安全壳喷淋系统的工作过程伴随着大量的两相流动和传热传质现象，而气液两相间的相互作用及传热传质行为与反应堆工作性能密切相关，因此，从液滴的运动、相变等微观行为出发，研究液滴运动的相变过程和规律，建立液滴理论模型，对分离器和安全壳喷淋系统的优化和自主化设计具有重要意义。

首先，基于汽水分离器中液滴运动相变过程的现象，对压差驱动液滴运动相变过程进行了机理研究。基于分离器中因阻力造成压力降低，使液滴运动蒸发，进而影响分离性能的现象和机理，指出压力变化条件下液滴相变过程包括快速蒸发及热平衡蒸发阶段，并建立了压力变化条件下静止液滴相变模型，绘制了液滴蒸发图谱。结合液滴三维运动模型，建立了液滴运动相变单向耦合模型。

其次，基于特征液滴思想，建立了多液滴运动相变三维模型，并将该模型应用到经典波纹板分离器及AP1000（Advanced Passive PWR 1000）分离器中，从而研究了液滴相变对分离效率的影响。结果表明： 正常运行工况下，由于分离器总体处于饱和状态，且分离器的压降较小，可以不考虑液滴相变对分离效率的影响； AP1000中的旋叶分离器对液滴起主要分离作用，

波纹板和下部重力分离空间起次要作用，波纹板入口前的孔板会对分离效率产生一定影响。

再次，对温差驱动多液滴运动相变双向耦合过程进行了机理研究。通过分析单个液滴的蒸发特性，提出了蒸发液滴的影响域的概念。并指出在影响域内，液滴的存在会引起气相参数剧烈变化。通过分析影响域的影响因素，给出了影响域半径的表达式。

由于现有液滴蒸发模型，存在采用无穷远或来流参数而忽略局部参数变化的问题，

因此本书通过建立高效液滴定位和流场信息搜索算法，并考虑液滴周围局部气相参数，引入液滴对局部气相参数的影响，建立了多液滴运动相变双向耦合模型。结合影响域尺寸，将液滴对气相流场的作用源按距离反比权重的方法，加载在影响域内的气相流场中，建立了有限空间内考虑影响域的多液滴运动相变双向耦合模型，可以在一定程度上提高计算的收敛性。

最后，将双向耦合模型应用到安全壳喷淋过程模拟中，与实验对比验证了模型的正确性，分析了安全壳喷淋系统的运行性能，得到了喷淋参数对喷淋性能的影响规律。并将此规律应用到定容弹内燃油喷雾蒸发过程模拟中，验证了

此模型具有适用性，从而拓展了该模型的应用范围。

关键词： 液滴运动相变； 双向耦合； 影响域； 汽水分离； 安全壳喷淋

赵富龙，2018年毕业于清华大学核科学与技术专业，获工学博士学位，导师薄涵亮教授，现任哈尔滨工程大学副教授。2016年前往德国海德堡大学进行交流学习。5年共发表文章30余篇，其中以第一或通讯作者SCI和EI索引论文20余篇，主持中国博士后科学基金面上基金1项（一等）、特别资助项目1项，主持横向项目多项。主要从事小型反应堆优化设计、反应堆热工安全分析、两相流动传热传质等方面研究。

第1章绪论

1.1研究背景

1.2汽水分离研究现状

1.2.1液滴产生机理研究现状

1.2.2液滴运动机理研究现状

1.2.3液滴碰撞和消亡机理研究现状

1.2.4汽水分离研究现状总结

1.3安全壳喷淋系统的研究现状

1.3.1安全壳喷淋理论和实验研究

1.3.2安全壳喷淋数值模拟研究

1.3.3安全壳喷淋系统的研究现状总结

1.4液滴相变研究现状

1.4.1静止液滴蒸发机理研究现状

1.4.2液滴运动蒸发的研究现状

1.4.3液滴运动相变双向耦合的研究现状

1.4.4液滴相变研究现状总结

1.5研究现状总结

1.6研究内容和技术路线

第2章多液滴运动相变单向耦合模型

2.1压力变化条件下的静止液滴相变模型

2.1.1现象描述和机理解释

2.1.2数学模型

2.1.3模型的求解和验证

2.1.4两种机制的占比分析

2.1.5参数特性分析

2.2液滴运动相变模型

2.2.1单液滴运动相变模型

2.2.2多液滴运动相变模型

2.2.3液滴运动相变模型验证

2.3算法加速

2.3.1液滴定位搜索和插值方法

2.3.2不同算法性能对比

2.3.3算法加速方法的提出

2.4本章小结

第3章多液滴运动相变单向耦合模型的应用

3.1经典波纹板分离器分离性能研究

3.1.1蒸汽环境中波纹板分离器的分离效率

3.1.2相变对分离效率的影响

3.1.3相变对液滴半径和速度的影响

3.2AP1000汽水分离器分离性能研究

3.2.1AP1000分离器结构及工作原理

3.2.2初始条件和边界条件

3.2.3下部重力分离空间

3.2.4初级分离器

3.2.5上部重力分离空间

3.2.6孔板及次级分离器

3.2.7液滴相变对分离效率的影响

3.3本章小结

第4章多液滴运动相变双向耦合模型

4.1液滴蒸发影响域概念的提出

4.1.1影响域概念

4.1.2VOF模型及实现

4.1.3模型验证

4.2影响域影响因素分析

4.2.1流场空间尺寸选定和无关性验证

4.2.2液滴半径对影响域的影响

4.2.3温差对影响域的影响

4.2.4蒸发时间对影响域尺寸的影响

4.2.5工作压力、空气湿度对影响域尺寸的影响

4.2.6影响域大小的影响因素综合分析

4.3有限空间内考虑影响域的液滴运动相变双向耦合模型

4.3.1现象描述和机理解释

4.3.2数学模型

4.3.3影响域内距离反比权重法的源项加载方法

4.3.4模型求解和验证

4.4本章小结

第5章多液滴运动相变双向耦合模型的应用

5.1安全壳喷淋系统运行性能仿真

5.1.1安全壳喷淋系统和TOSQAN介绍

5.1.2安全壳喷淋系统基准实验对比

5.1.3喷淋参数对喷淋性能的影响分析

5.2燃油喷雾蒸发过程模拟

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1主要工作

6.2创新点

6.3展望

附录A作用力系数

附录B液滴半径概率密度分布对旋叶分离器效率的影响

附录C旋叶分离器分离效率与实验对比

参考文献

在学期间发表的学术论文

致谢