《氣體離心機穩態全流場研究》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：氣體離心機穩態全流場研究
- 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
氣體離心機是離心法獲取核燃料的關鍵設備，對國民經濟和國防建設有重要作用。對離心機內部流場的研究是離心法分離同位素的基礎，為獲得更高的分離效率，必須對離心機的全流場開展研究。由於離心機流場的複雜性，數值方法是必要的研究手段。針對目前氣體離心機流場研究存在的局限性，本項目提出新的數值方法，對穩態離心機全流場開展數值研究。在目前尚無有效方法對包括自由分子流、過渡區和粘性流在內的全流場進行模擬，本項目提出採用直接模擬蒙特卡羅（Direct Simulation Monte-Carlo，DSMC）與CFD的耦合算法，對離心機全流場（包含整個徑向範圍）進行數值模擬。採用理論與實驗相結合的研究路線，對包括供料影響在內的驅動條件進行詳細研究，從理論上弄清供料射流的驅動機制，將離心機流場的研究進一步推向深入。在流場研究的基礎上，進一步探索離心機的分離機理，為我國發展新型離心機提供必要的理論指導和技術儲備。
結題摘要
本項目的主要研究對象是氣體離心機穩態全流場，目標是將離心機內部的稀薄流區和連續流區進行一體化計算，更為準確地計算離心機流場和單機分離功率。為此本項目進行了幾個方面的研究： 1. 供料條件對離心機分離功率的影響； 2. 供料射流的DSMC（Direct Simulation Monite-Carlo）模擬 3. 氣體離心機穩態全流場耦合計算模型的建立 4. 氣體離心機穩態全流場的數值模擬 通過上述研究，基本解決了氣體離心機中二維穩態全流場的求解問題。得到研究結論如下： 1. 利用有限差分方法求解離心機流體動力學方程組，結合數值最佳化算法，開展了供料對單機分離功率的影響研究。結果表明：連續流區內邊界處的供料條件對分離功率影響較大，即使在同樣的供料量下，供料口的寬度、供料口的高度、供料的徑向速度擾動、角向速度擾動、軸向速度擾動以及供料角度等均會對離心機的單機分離功率造成較大影響。開展供料射流的研究是必要的。 2.結合強旋流場密度沿徑向指數分布的特點，重新編制了並行化DSMC程式，克服了徑向上模擬分子數急劇增大給模擬帶來的困難，對不同的徑向、軸向供料模型開展了數值模擬。考察了供料位置、供料量、供料角度等不同情況下的供料射流流場結構。分析了不同條件下的變化規律。 3. 結合離心機流場及其控制方程的特點，建立了稀薄流區和連續流區重疊、數值疊代求解的計算模型，並通過計算驗證。 4. 通過DSMC與線性化/非線性離心機流體方程組的耦合數值研究，得到不同條件下的供料射流結構和相應的環流流場，以及相應的單機分離功率。發現當考慮到位於稀薄流區中的供料射流流動結構後，單機本例功率的呈下降趨勢，原因在於實際的供料射流在連續流區內邊界處的範圍比供料假設大，並且角向速度擾動也比較大。 本項目提出了一種用於離心機穩態全流場數值模擬的計算方法，實現了離心機穩態全流場的模擬，得到了供料射流的流動結構以及考慮供料射流後的離心機環流結構及其變化規律，計算得到了更為準確地離心機單機分離功率，為深入研究離心機流場提供了理論基礎和工具，為新型離心機研製提供的技術儲備。
