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通过离散元法初步模拟了微球在重力作用下的堆积行为,并分析了氚增殖区Li4SiO4球床的局部堆积结构.研究结果表明,摩擦系数和恢复系数对球床最终堆积结构有很大的影响.当摩擦系数较小时,摩擦系数对球床堆积结构的影响起主要作用;当摩擦系数较大时,恢复系数对球床堆积结构的影响起主要作用.球形颗粒从靠近壁面处的规则分布逐渐过渡到内部区域的均匀随机分布.球床局部堆积因子表现出了明显的壁面效应,其分布随着微球到壁面距离的增加而呈现出振幅逐渐减小的振荡趋势.所得到的球床堆积结构信息可用于研究球床传热特性和提氚气体流动特性的随机堆积球床模型的建立.     

包层氚增殖球床不同装载方案的有效热导率研究

针对聚变堆固态包层的产氚载体中锂陶瓷颗粒组成的氚增殖球床,建立了基于离散元-计算流体力学(DEM-CFD)方法的球床传热分析模型,进行了离散元(DEM)几何模型有效性验证、网格敏感性分析和计算流体力学(CFD)传热模型有效性验证。用该模型模拟计算了粒径分布球床、不同粒径的一元球床、二元球床的有效热导率,研究了相同填充率下,粒径分布、不同粒径及粒径混合对球床有效热导率的影响。研究结果表明,对于填充率相近的钛酸锂球床,粒径分布球床与一元等效粒径球床的有效热导率结果相差不大;在辐射换热可以忽略的情况下,粒径尺寸对一元球床有效热导率的影响可以忽略不计;二元混合钛酸锂球床相较于一元钛酸锂球床有更高的球床填充率和有效热导率。     

氚增殖剂球床内氦气流动特性的数值模拟

通过计算流体力学(CFD)数值模拟方法,对氚增殖剂球床内部的氦气流动特性进行了初步研究。分析了球床流通长度和流通截面对提氚气体压降的影响,获得了不同入口流速下规则堆积球床和随机堆积球床的压降和阻力系数。      

颗粒数方程的求解及流化床数值模拟

流化床内颗粒聚并和破碎将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉一欧拉气固多相流模型,利用直接矩积分方法求解颗粒数平衡方程,建立颗粒数密度与连续性方程、动量方程之间的关系,数值模拟流化床内两种不同直径颗粒发生聚并时气固两相流动特性。计算结果表明,颗粒聚并伴随着床内颗粒直径逐渐增大,床内颗粒流化状态逐渐变为固定床状态,两种颗粒直径均增加,且小颗粒的体积分数逐渐减小、大颗粒的体积分数增加。当仅考虑聚并过程时增加流化速度将导致床内颗粒体积平均直径变大。随着颗粒密度减小,床内体积平均直径增加。     

均匀化模型对CFETR氦冷包层中子学影响研究

在CFETR氦冷固态包层及球床结构的最新概念设计方案中,基于均匀化模型、仅球床均匀化模型与高保真模型分别进行了中子学计算分析。研究了结构均匀化及球床空间自屏效应对包层中子学影响以及小球尺寸对氚增殖比的影响。结果表明,(1) 结构均匀化模型对氦冷包层中子学影响较小;(2) 随着小球直径的减少,球床空间自屏效应堆氚增殖比的影响逐渐降低;(3) 氦冷包层真实尺寸下的小球产生的空间自屏效应较低,可忽略不计。     

多尺寸颗粒堆积多孔介质床有效直径研究

本文针对多尺寸颗粒堆积组成的多孔介质碎片床,研究其冷却性分析模型中有效直径的选取准则。基于Ergun方程和针对性实验,验证多尺寸颗粒组成的多孔介质床的有效直径及其相关计算方法。研究结果表明,多孔介质碎片床的有效直径与流体在多孔介质内的流动雷诺数有关,当雷诺数较低时(Re_p7),面积平均直径可以表征多孔介质的有效直径;随着流动雷诺数的增加(Re_p7),长度平均直径更加接近其有效直径。     

窄振动颗粒床中的运动模式

实验研究了竖直振动情况下,窄容器中颗粒的运动模式.发现运动模式与颗粒床厚度及振动加速度有很强的依赖关系.实验表明横向尺寸较小的容器可以抑制对流卷及拱起现象.对于足够厚的颗粒床,即使振动加速度很大,颗粒床下部仍然存在着颗粒聚集态.出现聚集态时,颗粒床对容器底的冲击力是倍周期分岔的.实验表明倍周期分岔点与颗粒床厚度无关.对于较薄的颗粒床,颗粒可以是聚集态或对流卷,视颗粒尺寸而定.如果使用尺寸分布非常窄的球形颗粒,可以观察到颗粒的有序排列.出现同心的圆筒形“壳”结构,每个“壳”上的颗粒是二维六角密排列的. 关键词： 颗粒物质 倍周期分岔 颗粒聚集态 球堆积     

HCCB-TBM包层Li_4SiO_4球床堆积结构的数值模拟

通过离散元法初步模拟了微球在重力作用下的堆积行为,并分析了氚增殖区Li_4SiO_4球床的局部堆积结构。研究结果表明,摩擦系数和恢复系数对球床最终堆积结构有很大的影响。当摩擦系数较小时,摩擦系数对球床堆积结构的影响起主要作用;当摩擦系数较大时,恢复系数对球床堆积结构的影响起主要作用。球形颗粒从靠近壁面处的规则分布逐渐过渡到内部区域的均匀随机分布。球床局部堆积因子表现出了明显的壁面效应,其分布随着微球到壁面距离的增加而呈现出振幅逐渐减小的振荡趋势。所得到的球床堆积结构信息可用于研究球床传热特性和提氚气体流动特性的随机堆积球床模型的建立。     

颗粒堆的体积分数与制备流量关系的实验研究

通过实验研究发现,颗粒堆的体积分数随制备颗粒堆的颗粒流流量指数衰减,减小或增加流量到一定程度时,体积分数都达到饱和;出料口直径与颗粒粒径的比值小到一临界值时,随着流量的减小体积分数增加急剧变缓;颗粒粒径小到一临界值时,随着流量的增加,体积分数的减小急剧变缓.结合颗粒物质的强耗散性、空气作用、瓶颈效应和碰撞理论解释了实验现象,从连续性原理出发推出的颗粒堆体积分数随制备流量变化的函数与实验数据的拟合公式相同.     

CFETR水冷包层两元混合增殖球床流动特性研究

作为中国聚变工程实验堆(CFETR)候选包层之一的水冷包层(WCCB),拟采用不同尺寸的两元混合增殖球床以增加球床的填充率,从而满足氚增殖比(TBR)要求。采用离散元方法(DEM)建立了满足中子学要求的CFETR水冷包层两元球床填充结构,通过CFD计算分析获取了氦气在球床颗粒间隙之间的流动特性,包括孔隙率分布、速度分布和压降等。     

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The packing behaviors of pebble bed in blanket were investigated by packing experiment and discrete element modeling. The packing behaviors of cylinder mono-sized pebble beds show that the average packing factor is gradually increased with increase of the diameter ratio of the bed to pebbles. The experimental and simulated results of cylinder mono-sized pebble beds are in good agreement. Using binary-sized pebble packing and increasing the size ratio of binary pebbles can increase the packing factor of pebble bed, significantly. For binary-sized pebble bed, the average packing factor increases first and then decreases with the increase of the large pebble volume fraction. The maximum value is achieved when the larger pebble volume fraction is about 60%~80%. By optimizing the filling process of the pebble bed, the packing factor of the binary-sized pebble bed has reached 0.8, but the uniformity of the binary-sized bed is poor.     

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As one of the breeding blanket candidates for China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR), the water-cooled ceramic blanket (WCCB) was proposed to use binary mixed breeding pebble bed in order to increase the packing factor and meet tritium breeding ratio requirement. The DEM method was used to establish the packing structure of binary pebble bed which can meet the neutronics requirements and the flow characteristic of helium in the pebble bed was analyzed by CFD simulation. Porosity distribution, velocity distribution and pressure drop in the pebble bed were discussed.     

增殖剂球床载气体流动特性

增殖剂球床是聚变堆或混合堆产氚包层可选结构之一,准确把握增殖剂球床中载带气体的流动特性有助于提高对球床载氚过程的认识并优化包层设计。采用离散元程序PFC3D模拟增殖剂小球的填充行为,在球床内不同位置随机截取不同尺寸的控制体,利用布尔运算中的"差集"得到孔隙范围,建立孔隙分布的三维几何模型,进一步划分网格并用计算流体力学(CFD)方法求解,得出控制体上单位长度的压降以及单元体内的速度分布特征,计算结果发现载带气体速度分布与γ分布很类似,且只要选取恰当的控制体,通过计算流体力学方法可以较好地分析整个球床孔隙内流体的流动,有利于进一步研究载氚及相关过程。     

DEM simulation of small particles clogging in the packing of large beads

The percolation of small particles through a periodic random loose packing of large beads is studied numerically with the Distinct Element Method. The representativity of periodic mono-sized sphere packing of varying system size was first studied by comparing their pore size distributions and tortuosities with those of a larger system, considered as an infinite medium. The results show that a periodic packing of size as low as 4-grain diameters gives a reasonable representation of the porous medium and allows reducing considerably the number of particles that has to be used in the simulations. The flow and clogging of small particles of varying concentrations and friction coefficients flowing through the former packing are then studied numerically. Results show that a steady state is rapidly reached where the mean velocity and mean vertical velocity of small particles are both constant. These mean velocities decrease with an increase in friction coefficient and in small particle concentration. The influence of the friction coefficient μ is much less marked for values of μ larger than or equal to 0.5. The distribution of small particles throughout the crossed packing becomes rapidly heterogeneous. Small particles concentrate in some pores where their velocity vanishes and where the density can reach values larger than the density of the random loose packing. The proportion of particles blocked in these pores varies linearly with concentration. Finally, the narrow throats of the porous medium responsible for blocking are identified and characterized for different values of the friction coefficient.     

随机填充增殖剂球床内载气流动特性数值模拟

固态氚增殖包层是聚变堆及聚变-裂变混合堆产氚包层的重要候选结构之一,其球床通道内载气流动特性将影响氚提取效率。利用离散元方法(DEM)生成随机填充增殖剂球床,通过径向孔隙率分布验证其合理性,计算流体力学(CFD)模拟计算其通道内气体流场特征。模拟得到:球床内吹扫氦气流速随孔隙率波动并随入口流速增大而均匀增大,通道内氦气流向及流速变化显著,Blake-Kozeny方程可良好预测该随机填充球床通道压降。