气体离心机稳态全流场研究

气体离心机是离心法获取核燃料的关键设备，对国民经济和国防建设有重要作用。对离心机内部流场的研究是离心法分离同位素的基础，为获得更高的分离效率，必须对离心机的全流场开展研究。由于离心机流场的复杂性，数值方法是必要的研究手段。针对目前气体离心机流场研究存在的局限性，本项目提出新的数值方法，对稳态离心机全流场开展数值研究。在目前尚无有效方法对包括自由分子流、过渡区和粘性流在内的全流场进行模拟，本项目提出采用直接模拟蒙特卡罗（Direct Simulation Monte-Carlo，DSMC）与CFD的耦合算法，对离心机全流场（包含整个径向范围）进行数值模拟。采用理论与实验相结合的研究路线，对包括供料影响在内的驱动条件进行详细研究，从理论上弄清供料射流的驱动机制，将离心机流场的研究进一步推向深入。在流场研究的基础上，进一步探索离心机的分离机理，为我国发展新型离心机提供必要的理论指导和技术储备。

本项目的主要研究对象是气体离心机稳态全流场，目标是将离心机内部的稀薄流区和连续流区进行一体化计算，更为准确地计算离心机流场和单机分离功率。为此本项目进行了几个方面的研究：.1. 供料条件对离心机分离功率的影响；.2. 供料射流的DSMC（Direct Simulation Monite-Carlo）模拟.3. 气体离心机稳态全流场耦合计算模型的建立.4. 气体离心机稳态全流场的数值模拟.通过上述研究，基本解决了气体离心机中二维稳态全流场的求解问题。得到研究结论如下：.1. 利用有限差分方法求解离心机流体动力学方程组，结合数值优化算法，开展了供料对单机分离功率的影响研究。结果表明：连续流区内边界处的供料条件对分离功率影响较大，即使在同样的供料量下，供料口的宽度、供料口的高度、供料的径向速度扰动、角向速度扰动、轴向速度扰动以及供料角度等均会对离心机的单机分离功率造成较大影响。开展供料射流的研究是必要的。.2.结合强旋流场密度沿径向指数分布的特点，重新编制了并行化DSMC程序，克服了径向上模拟分子数急剧增大给模拟带来的困难，对不同的径向、轴向供料模型开展了数值模拟。考察了供料位置、供料量、供料角度等不同情况下的供料射流流场结构。分析了不同条件下的变化规律。.3. 结合离心机流场及其控制方程的特点，建立了稀薄流区和连续流区重叠、数值迭代求解的计算模型，并通过计算验证。.4. 通过DSMC与线性化/非线性离心机流体方程组的耦合数值研究，得到不同条件下的供料射流结构和相应的环流流场，以及相应的单机分离功率。发现当考虑到位于稀薄流区中的供料射流流动结构后，单机本例功率的呈下降趋势，原因在于实际的供料射流在连续流区内边界处的范围比供料假设大，并且角向速度扰动也比较大。. 本项目提出了一种用于离心机稳态全流场数值模拟的计算方法，实现了离心机稳态全流场的模拟，得到了供料射流的流动结构以及考虑供料射流后的离心机环流结构及其变化规律，计算得到了更为准确地离心机单机分离功率，为深入研究离心机流场提供了理论基础和工具，为新型离心机研制提供的技术储备。