清华大学彭威教授团队：粗糙壁面上离散微细颗粒再悬浮实验及机理研究--颗粒学报PARTICUOLOGY

放射性粉尘颗粒的再悬浮特性是高温气冷堆安全分析中的重要问题。近日，清华大学彭威副教授课题组在PARTICUOLOGY上发表研究论文，通过颗粒再悬浮实验和大涡模拟数值计算方法，综合考虑了非球形颗粒、壁面粗糙度以及湍流脉动等因素，基于力矩平衡准则建立了准静态单层离散微细颗粒的再悬浮模型，模型表现出良好的准确性。

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研究背景

高温气冷堆具有固有安全性好、环境适应性强、用途范围广等特点，是我国优化能源结构、保障能源供给安全、实现“双碳”目标的重要路径。在高温气冷堆中，石墨燃料球循环过程中由于摩擦等作用会产生石墨粉尘，石墨粉尘会束缚放射性物质，在跟随一回路中氦气流动过程中沉积在反应堆一回路壁面上。在反应堆启动、变工况运行以及发生破口失压等事故时，沉积在壁面上的粉尘颗粒会在瞬态气流的作用下发生再悬浮现象，这会增加一回路放射性粉尘浓度，增大发生破口事故时泄露产生的放射性污染。因此，粉尘颗粒的再悬浮行为是反应堆放射性源项研究的重要内容，建立能准确地描述颗粒再悬浮特性的模型是研究热点。

图1. 高温气冷堆安全研究中放射性石墨粉尘问题

研究方法

气流对颗粒的气动力以及壁面对颗粒的粘附力是决定颗粒能否再悬浮的关键因素。本研究结合实验测量、数值模拟以及理论分析对沉积在壁面上的颗粒再悬浮行为开展研究。在实验测量方面，本研究使用光学轮廓仪测量壁面形貌轮廓从而获得壁面粗糙度统计数据，使用原子力显微镜测量粗糙壁面对粉尘颗粒的粘附力，使用装配显微镜的高速摄像机结合图像检测算法对颗粒的再悬浮过程进行检测。在数值模拟方面，为获取实验管道内流场的详细信息，本研究使用大涡模拟方法对实验段的流场进行计算，探究气流对颗粒作用的气动力与时均速度、脉动速度之间的关系。在理论分析方面，基于颗粒再悬浮过程的运动模式、近壁面流场的脉动特征以及粉尘颗粒受到的气动力和粘附力作用，建立了准静态平衡下单层离散微细颗粒的再悬浮模型。

图2. 颗粒再悬浮研究方法（a）实验平台（b）流场大涡模拟（c）理论模型

研究结果

本文研究了气流流速、壁面粗糙度以及颗粒粒径等因素对再悬浮过程的影响。研究结果表明：颗粒再悬浮过程可分为短期再悬浮阶段和长期再悬浮阶段，大部分颗粒再悬浮发生在短期再悬浮阶段。此外，高流速、大粒径颗粒更容易发生再悬浮现象，颗粒在离开壁面之前会在近壁面区域发生滚动运动。其次，随着壁面粗糙度的增加，壁面对颗粒的粘附力减少。然而，高粗糙度低粘附力的壁面也会产生较低的再悬浮份额，这是由于颗粒的再悬浮除了与壁面作用的粘附力有关，颗粒和粗糙壁面凸峰作用形成的力臂也对颗粒的再悬浮产生重要影响。本研究基于力矩平衡原理建立了颗粒再悬浮模型，模型可以复现实验研究中获得的颗粒粒径、气流速度等对颗粒再悬浮的影响规律。由于本研究建立的颗粒再悬浮模型考虑了实际应用中近壁面脉动气动力的非对称分布、非球形颗粒、粗糙壁面等因素的影响，其准确率相比于经典颗粒再悬浮模型明显提高。

图3. 颗粒再悬浮研究结果（a）再悬浮率随时间变化（b）再悬浮模型对比

作者简介

孙琦，第一作者，清华大学核研院博士后。2022年博士毕业于清华大学，主要从事先进反应堆中微细颗粒物行为、气溶胶行为等研究，入选清华大学“水木学者”计划。近年来在Applied Energy, Applied Surface Science, Particuology, Powder technology, Advanced Powder Technology, Nuclear Engineering and Design等期刊上发表十余篇论文。

彭威，通讯作者，清华大学长聘副教授，博士生导师。主要从事“先进核能热工安全”领域的研究。主持国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目/课题10余项。发表SCI/EI论文百余篇，合作出版编著1部；授权国际、国内发明专利近20项。获中国颗粒学会青年颗粒学奖（2022）和自然科学二等奖（排名1，2020）、教育部技术发明一等奖（排名5，2018）等科技奖励；获国家高层次人才计划（青年）、北京市杰出青年科学基金、中国核工业集团青年科技创新“菁英人才”等人才基金资助。

供稿：原文作者

编辑：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Sun, Q., Yu, S., & Peng, W. (2023). Experimental and mechanistic study of dispersed micrometer-sized particle resuspension in a square straight duct with rough walls. Particuology, 83, 101-114. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.02.013.

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