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第一课 两相流动概述 尚智 上海交通大学 核工系 一、概述 气固两相流动 气体与固体颗粒一起流动，如锅炉内部的空气、煤粉的流动；烟囱煤烟在空气中的扩散 固液两相流动 固体颗粒在液体内部的流动，如泥浆的流动 气液两相流动 气体在液体中的流动过程，是本门课程主要讲述的内容，如管道内部的气泡在液体中的流动 气液（汽液）两相流动的应用 气液两相流动与传热广泛应用于热能动力工程、核能工程、石油化工、低温工程、航天以及制冷、食品、冶金等工业的基本物理过程。 然而，气液两相流动由于两相的共存且相界面形状不规则与变形等复杂性因素，对于气液两相流动的理解还远不充分，深入的研究尚有很长的路要走。 电站锅炉的气液两流动 气液两相流动在电站锅炉中，主要发生在炉膛内水冷壁内管道的水蒸发过程，以及屏式过热器、减温器等部件内。 核电站汽液两相流动 核电站汽液两相流动会发生在堆芯、二回路及冷凝器中 二、汽液两相流动的基本研究方法 (1) 经验关系式法：根据实验数据建立经验关系式时工程两相流体动力学中最常用的方法。经验关系式应用方便，但并不揭示问题的物理本质。虽然如此，由于两相流动的复杂性及该学科的发展现状，目前许多工程应用还必须求助于经验关系式。 (2) 简单模型分析法：这是一种常用的工程模型分析法，它并不细致分析流动特性，而是选择关键特征并引入物理假定来建立供分析用的模型。气液两相流中常用的均相模型、分相模型以及适用于特定流型的一些分析法等都属于此类方法。 (3) 微分分析法：建立由质量、动量、能量方程组、边界条件以及结构方程构成合适的闭合两相流动基本场微分方程组，由此解出两相参数分布。两流体模型便是一例。此种方法在绝大多数情况下计算十分复杂，目前尚不能在实际设计中广泛运用。但可以用这种方法研究如何改善工程基本特性和分析变化趋势。例如，用于反应堆事故分析、两相流动稳定性定性分析等。 (4) 普适现象分析法：所谓普适现象是指与流型、分析模型及具体系统无特殊联系的一些普遍物理现象。据此建立的分析方法便称为普适现象分析法。例如，运用波动原理、极值原理等求解所研究的物理问题，流动不稳定性分析便是一个具体实例。 计算流体力学（CFD）研究方法 此方法是近些年来刚刚兴起的一种流体力学数值研究方法，它是用计算机对已有的流体力学守恒微分方程进行编程离散求解，通过解得的离散解来模拟这个流体流场的流动与传热情况，得到满足实际工程需要的结果。 三、课外新知识（CFD）了解 CFD的英文全称是Computational Fluid Dynamics，中文：计算流体动力学或计算流体力学。CFD求解问题的基本思想如下： 流动问题 流体（气体、液体、固体颗粒） 伴随着传热 数学物理模型 Navier-Stokes方程 能量守恒方程 质量守恒方程 无法解析求解微分方程 CFD技术涉及的知识 流体力学（包括湍流、可压缩、不可压缩、气体动力学、两相流、分子流动模型等） 传热学 计算方法 计算机图像处理等 CFD的主要环节 建立数学物理模型 数值算法求解 网格划分技术 结果可视化 用CFD计算的一些结果展示 四、核反应堆的发展 1.第一代核电站 第一代反应堆开发受核燃料循环制约的影响，上世纪50-60年代，还没有掌握铀浓缩工业技术，反应堆运行只能使用天然铀，以石墨或重水为慢化剂。 从开发更大功率动力堆的角度来看，这些反应堆具有一定的优点（热工水力效率高、可优化利用堆芯内的铀等），但也有许多技术上的问题（造价高、难于提高更大功率反应堆的安全性等），相比之下，不如水堆（压水堆、沸水堆）的经济性能好。 2. 第二代核电站 目前，世界各国在运行的核电站基本都属于第二代反应堆技术。第二代反应堆的诞生有其必然性：一方面，核能在70年代提高了竞争力；另一方面，一些国家意识到化石能源市场的紧张局势，希望通过发展核能，减少对能源进口的依赖性。 最近二十年，商业运行经验反馈提高了核能的经济和环保性能，与化石燃料发电电价比较，核电电价具有很强的竞争性，废气、废液排放远低于国家的排放标准。目前，全球已经积累了10000堆年的运行经验，完全可以证明核电技术进入了成熟阶段。 目前法国共有19个核电站，58个核电反应堆。这些第二代核电站大多建于上世纪八十年代，他们淘汰了五六十年代的第一代核反应堆技术。其中位于上莱茵省的菲森恩核电站最早于1977年并网发电。 3. 第三代核电站 第三代反应堆的特性比较符合形势的发展，尽管在运行机组的安全性已经很高，但其研发工作仍以提高安全性为重点，同时还保持了最好的经济性能。 设计特点: 第三代反应堆一方面提高了安全冗余系统的性能，以减少事故发生的概率；另一方面，设计了事故状态下非能动安全保护系统。此外，在设计