《強旋流場中同位素分離性能最佳化方法探索》是依託清華大學，由姜東君擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：強旋流場中同位素分離性能最佳化方法探索
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：姜東君
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著國產離心機的套用，我國建立了自主的離心法鈾濃縮體系。當前世界上分離功的價格下降明顯，對單位分離功的成本控制提出了更高的要求。除了在級聯、核燃料工藝流程改進等方面要進行深入研究和重新設計外，更重要的是單機分離功率的提高。考慮到工廠已有的裝架及輔助設施，在同樣的轉子尺寸下，對單機的結構以及驅動條件進行最佳化以提高單機分離性能，是十分有意義的。俄羅斯的第5~8代離心機在轉子參數基本不變的情況下，實現了單機分離功率增加約一倍。本項目採用數值方法對離心機流場進行分析，採用理論和實驗相結合的技術路線。在不改變轉子尺寸和側壁線速度的條件下，開展內部結構以及驅動條件的最佳化，研究複雜條件下的單機分離性能變化規律及環流機制。本項目的開展將為深入理解離心機分離理論、提高單機分離效率、自主掌握離心機結構設計準則等提供理論參考和技術積累，對於保證我國核電安全運行有重要意義。
結題摘要
由於超聲速、空間有限、跨流區等流動特點，氣體離心機內部流場測量很難實現，同時也給理論分析和數值模擬帶來很大難度。目前幾乎沒有能夠實現純粹物理邊界的數值模擬，幾乎所有的數值模擬均需給定人工邊界條件。這也給離心機分離性能最佳化帶來了困難。針對以上問題，本項目開展了相關數值和實驗實驗研究，（1）對離心機取料支臂附近三維流場進行系統的數值模擬，得到了強旋流場中取料支臂性能的變化規律，為二維非線性動力學方程組求解提供了準確的機械驅動條件；（2）將同倫算法用於有限差分法求解非線性離心機流體動力學方程組的求解，解決了牛頓疊代法對初值敏感、不易收斂的難題，實現了大擾動條件下的分離區流場計算，並計算分析了端蓋擾動的衰減規律；（3）使用DSMC+CFD方法實現了離心機中心稀薄流區和粘性流區的耦合計算，首次得到了供料和支臂驅動對分離性能的影響，為離心機分離性能最佳化提供數方法和工具；（4）使用氟利昂350作為模擬氣體開展離心機單機分離實驗，驗證了計算結果的正確性；（5）構建了離心機分離性能最佳化模型，結合三維流場計算數據、二維非線性耦合計算程式、DSMC計算程式，使用全局/局域最佳化算法，得到了離心機分離性能數字最佳化設計平台。（6）首次採用HLL和HLLC混合格式計算三維全流場，得到了取料支臂對分離腔流場影響的三維分布情況，加深了對強旋流場中擾動傳播規律的認識。本項目研究工作為離心機分離性能計算和最佳化提供了新的方法和工具。
