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研究方向

     多相流和界面现象实验室团队依托重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,长期从事反应堆热工水力及安全分析、通道内相态特性、两相流方面的实验、理论及数值模拟研究工作;在相变问题、汽泡动力学相关问题等方面成果丰硕。研究室具备各种关键系统程序以及Fluent、CFX、OpenFOAM等CFD软件,自主开发了反应堆堆芯设计的子通道分析程序,在模型构建、数值模拟和程序开发方面积累了丰富的经验。

      团队现已完成和正在承担三项“973”项目课题、7项国家自然科学基金和4项总装备部预研基金等国家级项目,并多次与研究机构合作进行新产品开发及应用基础研究等横向项目。在相态特性实验及理论研究、海洋条件模拟分析、自然循环耦合分析等方面处于国内外先进水平。现已发表SCI论文100余篇,包括International Journal of heat and mass transfer, Applied Thermal Energy, Nuclear Engineering and Design等业界高水平杂志,单篇论文最高引用60余次,总引用次数超1000次。

       实验平台方面,团队现有六自由度运动平台热工水力问题研究综合实验台架、热工水力问题气水两相流动综合实验研究台架、高温高压综合实验台架、多尺度液膜测量平台、微通道实验平台、窄小流道两相流动沸腾综合实验台、气泡动力学实验台(BDEP)、磁场下水电解实验台、高温球床堆有效导热系数研究实验台等,配置的电源功率达600kW。软件平台方面,团队现有12节点的高性能计算服务器,可满足5000万~1亿量级网格的数值分析计算。

       核心团队现有教授1人,副教授3人,讲师3人,硕士生及博士生30余人。本团队多年来一直与国内外科研院所广泛合作,全部团队成员曾于国外访学交流。团队与普渡大学核工程系、MIT、德国HZDR、GSI、中国核动力研究设计院、中广核研究院等国内外领先科研单位联系密切,国内外合作交流渠道通畅。

      除此之外,团队还与国华电力研究院、中冶赛迪集团有限公司、神华集团等国有大型企业及研究院有良好的合作关系。

      研究团队的主要研究方向为核反应堆及其他工业过程所涉及到的多相流与界面现象相关的问题,包括核反应堆热工水力学、核电子学、两相流测量方法、多相流模型及模拟、核反应堆的核热耦合问题等内容,为国内相关核反应堆设计的核心模型提供支撑,并开发了如烟道蒸发零排放脱硫废水处理系统、棒束通道ERT空泡测量系统、多探针空泡测量仪等。每年在国际重要学术期刊发表研究论文20余篇,担任国际会议组织及TPC主席及成员多个,是具有一定的国际知名度、国内重要的多相流界面传输相关的研究团队。

一、燃料元件、电子冷却等各种通道内相态特性相关研究

      在汽泡演化方面,进行了自然循环过冷沸腾汽泡脱离点的实验技术、定尺度窄通道内高过冷沸腾汽泡行为、窄通道汽泡起始和演化的触发机制、窄微流道沸腾的汽泡动力学理论及现象、窄流道内受限汽泡聚合特征及泡底微观传热传质机理、复杂几何结构环状流液膜界面特性与输运机制、窄微多通道流动不稳定性的气泡动力学触发机制等研究,发表多篇论文。此外,课题组在XX反应堆方面成果卓著,包含国家重点研发计划课题1项,国家自然科学基金5项,横向课题5项,973课题3项,在xx动力学及xx演化模型、xx条件下矩形通道内xx特性、xx条件下棒束通道内xx特性等研究方面成果丰硕。

     在此基础上,团队进一步进行了非能动安全壳冷却系统试验技术验证RELAP5建模计算分析,模拟了矩形窄缝通道内气汽泡运动特性、近壁滑移汽泡动力特性、定位格架单相两相流动特性和饱和沸腾特性,开发了核反应堆热工水力综合实验系统,分析了窄空间流动沸腾汽泡聚合影响泡底传热传质的机理、平行矩形窄流道内热诱导流动不稳定性机理等。以上工作在国际上总引用次数超过300次,包括剑桥大学Kenning团队、普渡大学Ishii团队、日本Okawa团队等长期引用该方面的论文,所开发的界面冷却传热系数模型等已经成为相关研究的基准模型之一。


二、堆芯热工计算子通道程序开发相关实验、CFD等研究

      目前,子通道程序的发展趋势是采用先进的两流体、三流场模型进行精细化建模,模拟的现象复杂多变,不仅需要模拟单相及简单的两相,还需要对诸多特殊流型(如反环状流)、特殊现象(如闪蒸)、特殊位置(如格架)等进行建模,对两相流模拟的精度、范围均提出了更多的要求和挑战。本团队拟采用先进的测量方法、实验平台和软件计算平台,围绕子通道程序开发开展一系列的实验、CFD等研究工作,为子通道程序的开发提供相应基本局部及集总参数数据。具体工作可包含:

(1)以现有实验台架为基础,搭建适用于较高精度的两相流模拟的实验台架并开展实验,获得基本的局部及宏观参数数据,如界面浓度、空泡分布等;

(2)对实验台架相关内容开展相应的CFD模拟研究,并利用实验数据进行校核和CFD内嵌模型的改进,对实验无法直接测量的多种流型下的局部及宏观参数数据如温度场、速度场、二次流等进行分析研究;

(3)利用基本实验数据,进行详细的分析综合,针对热扩散系数(TDC)、湍流搅混、液滴行为、格架特性等子通道程序开发中较为关注的参数进行研究。


三、燃料定位格架性能分析和燃料组件开发

       通过与中国核动力研究设计院、中核核反应堆热工水力技术重点实验室等国内行内重要单位合作,针对国家在先进燃料组件开发方面开展了大量工作。基于CFD方法对大型压水堆先进燃料组件开展了大量的CFD研究,以评估燃料组件,特别是定位格架的热工水力性能。

       对带格架燃料组件的热工水力特性CFD研究包括了单相、两相以及沸腾两相的相关研究;并对其中的沸腾相变模型进行了改进。研究发现,带格架的复杂燃料组件几何结构内的单相流动CFD计算结果在指导燃料组件设计方面的作用比较有限,单相流动的计算结果不能反映出两相流动的真实情况,特别是不能反映燃料组件内空泡的分布特性及空泡分布特性对沸腾临界的影响。但针对两相的CFD研究,特别是针对沸腾两相的CFD研究获得了沸腾条件下复杂燃料组件内的流场、空泡分布特性等,对指导燃料组件以及定位格架的设计和优化热工水力性能具有重要意义。

        以上工作在国家自主知识产权的CF系列燃料开发中起到很重要的作用,对于评估和筛选格架等工作起到了部分支撑作用。


四、两相流探测技术开发

      在探针方面,开发了四电导探针系统,包括测量探头、控制及数据获取硬件和数据处理软件,能够测量汽水两相流的局部空泡份额、气相速度等参数,并成功应用到核反应堆棒束通道内的两相流测量中。在空泡仪方面,开发了全局空泡仪和棒束通道空泡仪,包括软硬件部分,能够用于圆管及棒束通道内全局空泡份额的测量。在棒束通道ERT方面,针对棒束通道的特点,开发了一套能够测量棒束通道内两相流分布的ERT系统,包括探测器、数据获取及控制系统和层析成像软件,获得发明专利。以上3项测量装置均已应用于国家自主知识产权核反应堆开发的相关国家计划中,用于5×5棒束的两相流测量,为定位格架的实验研究贡献了数据。以上工作正在与德国HZDR研究所一起,将工作应用于两相流计算的Baseline模型中。

      基于团队现有两相流探测(探针、空泡仪及ERT等)手段,进一步研发适用于高温、高压等恶劣情况下的相态测量传感器、数据采集及分析处理方法,扩展现有测量方法的应用范围,同时进行提高测量方法的有效工作区间和测量精度。利用多种方法对测量方法进行验证和校正,提高测量方法的可信度和有效性。

      充分考虑实际核反应堆燃料开发中工况特征,特别针对其压力、温度量级和范围、可能的测量干扰、信号降噪、测量不确定性分析等方面进行专门研究,发展出相应的处置手段和方法,实现核反应堆燃料开发中的局部精确测量和相态参数测量。具体建设目标包括两项:

      (1) 发展高温高压环境下的ERT测量系统。目前本团队已经将ERT方法应用到了棒束通道内的两相流测量中,未来会针对高温高压环境,优化探测器及数据获取及处理系统,从而使ERT系统能够测量高温高压下的两相流特性。

      (2) 发展超快速X光成像系统。在发展ERT方法的过程中,已经对层析成像算法有了深入的研究。未来通过小型加速器产生X光,通过X光对棒束通道内的两相流进行快速扫描,并利用现有层析成像算法,实现棒束通道内两相流的快速测量。

      以上各方向都热诚欢迎硕士和博士研究生的加入,为国家重大需求和科学发展做出贡献。