上旋式无窗散裂靶件自由界面数值研究

无窗散裂靶件是加速器驱动的次临界系统的重要组成部分。为了使靶件维持稳定的自由界面并具有良好的热移出功能,本文提出一种上旋式无窗靶件设计,以水为工质,采用ANSYS Fluent软件对该靶件设计进行数值模拟。结果表明,该结构散裂靶件能较好地维持稳定自由界面,不会出现漩涡滞止区,并得到不同入口流速对自由界面形状、流场特征及压降的影响。     

上游带弯头的T型管内混合流动数值模拟的湍流模型评价

T型管是研究冷热流体混合流动及其引起的温度振荡现象的典型几何模型,而上游带弯头的T型管又是一不可忽视的特殊情形。本文运用计算流体力学软件,采用3种湍流模型（RNG k-ε 模型、SSG雷诺应力模型、LES模型）对上游带弯头T型管内冷热流体的交混现象进行模拟,并与实验数据进行了对比。结果表明：非混合区域如上游弯头内,RNG k-ε 模型、SSG雷诺应力模型的模拟结果与实验结果较吻合,而在混合区内LES模型的模拟结果更能表征实际流动。     

5×5棒束通道内压降特性实验与数值研究

分别以实验与数值模拟对5×5棒束通道压降特性进行了研究。在5×5棒束通道实验本体上开展了压降实验研究，雷诺数范围为2000～14000。获得了棒束通道内压降随雷诺数的变化关系，并在实验工况范围内拟合了摩擦阻力系数计算经验关系式，关系式对摩擦阻力系数的预测偏差在5%以内。在实验研究基础上，开展了棒束通道内压降数值研究。对于雷诺数低于2000的工况选取层流模型，雷诺数高于2000的工况选取标准k-ε模型、Realized k-ε模型、RNG k-ε模型与LPS-RSM等湍流模型，开展了棒束通道内流场数值模拟，并拟合了层流工况下高精度摩擦阻力系数计算关系式。数值模拟结果表明，雷诺数较高时，标准k-ε模型、Realizedk-ε模型、RNG k-ε模型与LPS-RSM等湍流模型均能较好地预测摩擦阻力特性。     

ADS散裂靶件内部自由界面形态的数值模型分析

加速器驱动的次临界系统（ADS）内部的散裂靶件通过加速器装置耦合次临界堆芯。无窗靶件的设计需保证自由界面有着稳定且理想的形状，以避免液态重金属局部过热。为研究无窗靶件内部自由界面的形态，本工作基于开源CFD计算平台OpenFOAM，使用VOF（volumeoffluid）方法追踪自由界面，对无窗靶件内部自由界面的形态和特性进行数值模拟，并将结果与商用软件FLUENT计算结果和实验结果进行对比。同时比较多种湍流模型对计算的影响，推荐出较合适的湍流模型。     

加速器驱动系统靶区流场的数值模拟

在加速器驱动系统（ADS）中,真空质子束流管出口端为一半球面质子束窗,用于隔离束流管和散裂靶。质子束窗表面热负荷很高,有效冷却质子束窗,从而提高靶件寿命和系统安全性是靶件设计的关键。 采用PHOENICS 3.2程序对ADS靶件冷态下的流场进行数值模拟。在贴体坐标（BFC）下生成计算网格,对靶件束窗下方有无导流板时的靶区流场进行了计算。当体积流量为10m3/h时,流体向下流动进入中央流道（靶区）之前发生边界层脱离,并在质子束窗下方两侧形成一对对称的旋涡。两旋涡在靶区中央重叠,形成一股向上较强的回流。这股回流沿质子束窗     

基于流场数值模拟的ADS靶件结构的设计优化

采用通用的计算流体力学（CFD）软件PHOENICS 3．3和BFC计算网格生产技术，对加速器驱动次临界系统（ADS）靶件的流场进行数值模拟计算。结果表明：束窗下方导流板起引导流体沿束窗表面流动的作用，消除了束窗两侧下方较大的旋涡，对于改善束窗附近流体的流动结构、提高束窗表面及散裂靶的换热，效果显著。     

ADS无窗靶件自由界面模拟实验和数值研究

冷却剂自由界面形态的形成和控制是加速器驱动的次临界系统(ADS)无窗靶件设计的关键技术之一。采用水介质对无窗靶件模型的自由界面特征进行了实验和数值研究。实验中采用激光诱导荧光的示踪方法实现了流场的可视化,得到Re=30000～50000范围内的自由界面和可视化流场。在高Re工况下,流场中出现大尺度的非稳定涡结构,随着Re的降低,流场中涡结构的紊乱程度增加。分别采用大涡模型（LES）和两方程动能-特征耗散率模型（kω-SST）对无窗靶件实验工况进行了数值分析,计算结果表明,LES能较好地模拟实验中所得的流场现象和界面特征。     

ADS无窗靶件流场结构和自由界面数值模拟研究

自由界面流动现象是加速器驱动次临界系统(ADS)无窗靶件研究的重要组成部分。采用计算流体动力学(CFD)方法,对上海交通大学设计的无窗靶件流道结构中的自由界面流动水力学行为进行数值模拟研究。数值模拟使用FlUENT软件平台,采用体积流体法(VOF)与界面追踪方法结合湍流大涡模型(LES),进行Re在35000⁸0000工况下的非稳态计算。模拟结果得到了自由界面稳定性、自由界面宽度、大尺度漩涡结构、漩涡滞止区长度和锥形段流道沿程压力随Re变化的规律。     

竖直窄缝水工质常压过冷沸腾流动与传热分析

以去离子水为工质,对常压下竖直窄缝通道内过冷沸腾流动与换热规律进行实验和数值模拟研究。对壁面气泡核化特点进行可视化实验分析,建立2 mm窄缝通道的壁面核化沸腾模型,包括:汽化核心密度、气泡脱离直径和气泡脱离频率关联式。以两流体模型为基础,结合壁面热量分配伦斯勒理工学院(RPI)模型以及壁面核化沸腾模型,建立竖直窄缝通道内过冷沸腾流动传热计算流体动力学(CFD)数值模型,对典型实验工况进行模拟分析,并与实验结果进行对比,两者吻合良好。     

基于多物理耦合的高温热管流动传热和力学特性研究

研究高温碱金属热管内工质的流动、传热和力学特性,对热管冷却反应堆的安全具有重要意义。本文采用COMSOL Multiphysics有限元软件构建了高温碱金属热管的多物理耦合模型,针对热管内工质的流动传热特性以及管壁的热膨胀效应进行了数值模拟研究。结果表明：本文模型的计算结果与实验值的相对误差小于1%,可准确模拟高温热管的流动传热特性;在额定功率下,沿轴向的压力梯度和温度梯度较小,说明热管具有较好的等温性,但相比于冷态有最大1.75%的总形变;热管的传输功率提高会显著影响热管内工质的运行状态,同时加大热管的形变量。     

ADS靶区流场的数值模拟

采用通用的CFD NHT软件PHOENICS 3 2和BFC计算网格生成技术 ,对ADS靶件束窗下方有无导流板两种靶件结构冷态下的流场进行数值模拟。描述了靶区流场数值模拟的方法 ,给出了流场数值模拟的结果     

PDS-XADS散裂靶热工水力分析

本文对小型加速器驱动的次临界系统（ADS）--PDS-XADS散裂靶进行了热工水力分析。分析的XADS型实验堆基于欧洲PDS-XADS实验项目的设计,使用铅铋合金（LBE）作为冷却剂。散裂靶是ADS的核心部件之一,用以确保反应堆功率维持在指定水平。本文利用计算流体力学软件ANSYS CFX 11.0对散裂靶的下部区域进行热工水力分析。分析采用稳态计算、剪切应力输运（SST）湍流模型,在壁面边界条件处采用自动壁面函数法,针对不同的散裂靶设计进行计算流体力学（CFD）分析,最后根据散裂靶设计限值选择最优设计方案。     

ADS靶区流场的数值模拟

采用通用的CFD/NHT软件PHOENICS 3.2和,BFC计算网格生成技术,对ADS靶件束窗下方有无导流板两种靶件结构冷态下的流场进行数值模拟。文章描述了靶区流场数值模拟的方法,给出了流场数值模拟的结果。     

加速器驱动系统靶区流动可视化研究

在加速器驱动次临界系统 (ADS)靶件模型上进行二维流动可视化研究。示踪粒子为直径 0 5mm的聚苯乙烯球状颗粒 ,采用片激光法对流场进行显示和KappaCCD数码摄像系统对流场进行实时拍摄 ,获得了ADS靶区的流型图     

Preliminary physics study of the Lead–Bismuth Eutectic spallation target for China Initiative Accelerator-Driven System

The Lead-Bismuth Eutectic(LBE) spallation target has been considered as one of the two alternatives for the spallation target for China Initiative Accelerator-Driven System.This paper reports the preliminary study on physical feasibility of a U-type LBE target with window.The simulation results based on Monte Carlo transport code MCNPX indicate that the spallation neutron yield is about 2.5 per proton.The maximum spallation neutron flux is observed at about 3 cm below the lowest part of the window.When the LBE target is coupled with the reactor,the reactor neutrons from the fission reaction increased the neutron field significantly.The energy deposition of highenergy protons is the main heat source;the spallation neutrons and reactor neutrons contribute only a small fraction.The maximum energy deposition in the LBE is about 590 W/cm~3 and that in the target window is about319 W/cm~3.To estimate the lifetime of the target window,we have calculated the radiation damages.The maximum displacement production rate in the target window is about10 dpa/FPY.The hydrogen and helium production rates generated during normal operation were also evaluated.By analyzing the residual nucleus in the target during the steady operation,we estimated the accumulated quantities of the extreme radioactivity toxicant ~(210)Po in the LBE target loop.The results would be helpful for the evaluation of the target behavior and will be beneficial to the optimization of the target design work of the experimental facilities.     

Numerical design of a 20 MW lead–bismuth spallation target for an accelerator-driven system

A spallation target system is a key component to be developed for an accelerator-driven system (ADS). It is known that a 15–25 MW spallation target is required for the practical size of an ADS. Although there have been some design studies for small power spallation targets, that is, less than 10 MW, designs of high power target systems for ADS are relatively rare. The design of a 20 MW spallation target is very challenging because more than 60% of the beam power is deposited as heat in a small volume of the target system. In the present work, a numerical design study was performed to get optimal design parameters for a 20 MW spallation target for a 1000 MW ADS. The cylindrical beam tube and the hemispherical beam window were adopted in the basic target design concept with 1 GeV proton energy, and the thermal-hydraulic and the structural analyses were performed with the CFX and ANSYS codes. The beam window diameter and thickness were varied to find the optimal parameter set based on the design criteria: maximum lead–bismuth eutectic (LBE) temperature <500 °C, maximum beam window temperature <600 °C, maximum LBE velocity <2 m/s, and the maximum beam window stress <160 MPa. The results of the present study show that a 40 cm wide proton beam with a uniform beam profile should be adopted for the spallation target of 20 MW power. It was found that a 2.5 mm thick beam window is needed to sustain the mechanical load.     

氢气安全分析软件CYCAS的研发及初步验证

基于计算流体力学方法进行了三维氢气安全分析软件CYCAS的自主研发,采用隐式连续欧拉-任意拉格朗日欧拉方法求解三维、可压、非定常的Navier-Stokes方程组。CYCAS通过求解多组分的质量守恒方程描述多组分气体的扩散和混合,气流中的水蒸气相变行为采用均相平衡模型模拟,而壁面上的相变行为采用Chilton-Colburn相似假设,湍流模拟选用了代数湍流模型和k-ε湍流模型。采用喷射实验HYJET和国际标准测试题ISP23对CYCAS进行了初步验证,计算结果与实验值吻合良好。     

CFD analysis of the HYPER spallation target

KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) is developing an accelerator driven system (ADS) named HYPER (HYbrid Power Extraction Reactor) for a transmutation of long-lived nuclear wastes. One of the challenging tasks for the HYPER system is to design a large spallation target with a beam power of 15–25 MW. The paper focuses on a thermal–hydraulic analysis of the active part of the HYPER target. Computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed by using a commercial code CFX 5.7.1. Several advanced turbulence models with different grid structures were applied. The CFX results reveal a significant impact of the turbulence model on the window temperature. Particularly, the k–ε model predicts the lowest window temperature among the five investigated turbulence models.     

加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究

散裂靶位于加速器驱动的次临界系统（ADS）的中心,为核嬗变提供所需的中子源。通过分析散裂靶的热工要求,选取铅铋合金（LBE）作为ADS的靶材料和冷却剂。使用MCNP程序计算质子束轰击靶区产生的能量沉积,并使用CFD程序FLUENT计算靶区热工特性。分析了不同设计参数及不同靶窗形状对ADS靶区温度分布和速度分布的影响,得到满足热工要求的可选方案。