圆柱中强旋流场环流驱动机理实验研究

离心法是先进的大规模铀浓缩方法，是多种稳定同位素获取的重要方法，离心机分离性能相关研究意义重大。气体离心机转子的超高速旋转，产生比重力场大数十万倍的离心力场。在此条件下驱动气体流动，建立合适的质量输运以分离同位素。不同元素气体介质在强旋流场中由于其物理性质不同，输送性质也不同，导致不同的分离效果和离心机水力学特性，对分离性能影响显著。支臂驱动效应是驱动质量输运的关键因素之一，它由流场中取料支臂产生，不同半径或形状的支臂导致的分离效果差异明显。本项目将针对如何建立驱动效应与质量输运之间的关系这一离心分离理论中的基础性课题，主要通过实验手段，探索支臂驱动与支臂参数的相互关系，了解驱动机制，把握质量输运与驱动的关系。相关成果具有重要价值：理论上可提升分离理论研究水平，促进理论与实验的结合；实验上可研究探索强旋流场的控制、测量和分析方法；应用上可优化分离装置的结构，提高分离效率，开拓离心机的应用。

离心法是先进的大规模铀浓缩方法，也是多种稳定同位素获取的重要方法，离心机分离性能研究意义重大。气体离心机转子超高速旋转，产生比重力场大数十万倍的离心力场。在此条件下驱动气体流动，建立合适的质量输运以分离同位素。不同元素气体介质在强旋流场中因物理性质不同，输送性质也不同，导致不同分离效果和离心机水力学特性，对分离性能影响显著。支臂驱动效应是驱动质量输运的关键因素之一，它由流场中取料支臂产生，不同半径或形状的支臂导致的分离效果差异明显。本项目针对如何建立驱动效应与质量输运之间的关系这一离心分离理论中的基础性课题，发展一种有效的实验研究方法，以探索支臂驱动与支臂参数的相互关系，了解驱动机制，把握质量输运与驱动的关系，提供分离性能优化的手段。.实验研究作为支臂驱动理论研究的实验验证及基础数据获取手段，所需探索的方法，关键在于可以在不影响离心机内部流场分布情况下，在线精确调整支臂位置，获取所需实验数据，进而总结实验规律。通过广泛调研，设计了各种实验验证装置，并进行前期验证。从验证方案中，优选出一套合理方案，并最终应用于实际装置研制，开展了具体运行试验。最终解决方案克服了前人探索过程中遇到的种种问题，在流场理论确定的对流场干扰足够小的狭小空间范围内，成功植入一套精密定位装置。在关键难点上获得的成果包括：1)采用新型电机用于驱动支臂，并利用光栅实时反馈位置信息，通过全闭环位置控制机制，有效解决了定位精度及对支臂绝对位置实时监控的要求；2)创新性采用低刚度弹性连接件连接支臂与料管，同时解决狭小空间内，气体密封要求高与支臂移动阻力要求低的问题；3)采用全电控制方式，不借助任何机械连接干预支臂运动，而仅通过电缆对其驱动及测量，探索特殊贯穿方法，让电缆在狭小空间内贯通机器内外，保证机器气密性并避免了外部机构对机器内部流体的干扰；4)发展了一套光学定位方法对系统进行位置标定，解决了精确初始位置的获取问题，为试验数据的精确分析打下良好基础。.实验研究方法成功应用于真实离心机系统中，装置植入离心机内部，在全速运行状态下进行考核，开展了相关实验研究；试验结果证明方法的有效性与可靠性，为离心机流场研究及驱动性能优化打开一条重要通道；相关结果受行业单位高度重视，认为相关研究为本领域亟待破解的一些关键性问题提供了解决方案，并致力推动其应用于新一代机型研制。