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。     

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。     

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。     

无窗散裂靶自由界面流动水力特性研究

自由界面形成和控制是加速器驱动的次临界系统(ADS)无窗靶研究的重要内容。本文通过水模拟实验,结合360°全尺度模拟计算,验证了自由界面的特征主要受入口速度和出口压力控制,得到了自由界面长度随入口速度增大而二次递减、随出口压力增大而线性递减的结论。对流场的结构和特征进行了研究,说明了漩涡区域对自由界面流动的影响。采用VOF界面追踪方法、大涡湍流模型(LES)以及PISO算法进行瞬态模拟计算,计算得到的自由界面流动和流场结果均与实验结果符合较好,表明计算模型和方法可用于液态重金属靶的流体力学计算。     

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。     

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     

基于扩散界面法的较大气泡上升过程数值模拟

基于扩散界面法和有限元法,对较大气泡在上升阶段的形态和速度进行了模拟,结果与实验吻合较好,说明该方法能准确地模拟气泡的运动特性。利用该模型,对初始直径不同的较大气泡上升过程中的形态、速度和振荡随时间变化的规律进行了分析。并分析了14mm直径的气泡在不同尺寸通道中上升过程的形态、速度的变化规律。结果表明:气泡的稳定形态随着气泡初始直径的增大由椭球形变为球帽形,且达到稳定形状的时间更长。气泡初始直径越大,气泡的顶端速度越快,并稍有波动。而气泡的底端速度开始快速增大使气泡向内凹陷,随后回落并在气泡顶端速度上下振荡。气泡上升通道越窄,气泡达到稳定形态的时间越长,顶端速度越小,气泡的高宽比越大。     

反应堆主泵压水室出口收缩角对水力性能的影响

针对国内某百万千瓦核反应堆主泵的水力性能要求,完成主泵叶轮和导叶的设计;为研究出口收缩角对水力性能的影响,设计了13种压水室出口收缩角,采用三维软件Pro/E完成了三维造型;利用计算流体力学(CFD)软件Fluent进行定常与非定常三维数值模拟,得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行分析。结果表明:收缩角对压水室与出口交接处的前后区域影响显著,收缩角在12°~16°范围内,主泵效率均在70%以上,=15°时效率达最大值74.2%;在=15°且其他结构参数不变的情况下,随着流量的降低,主泵叶轮进口前和导叶出口处回流区域逐渐扩大;随着流量的增加,叶轮进口前回流区域逐渐向叶轮进口偏移;回流是引起压水室与出口交接处压力脉动的主要原因;偏离工况越大,压水室出口处的压力脉动波动越严重。     

基于扩散界面法的液态铅铋合金中气泡上升行为模拟

基于扩散界面法,对单个氮气气泡在液态铅铋合金内从静止到充分发展整个过程中的动力学行为进行数值模拟,得到气泡形变特性和气泡上升速度随时间的变化关系,将模拟结果与Grace经验关系图对比,发现模拟得到的气泡形变结果在Grace经验关系图中均可找到且很好地吻合,从而验证了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中气泡上升行为的可行性和准确性。同时基于界面扩散法的模拟,对比了5种不同初始直径的氮气泡在液态铅铋合金中的上升行为,发现初始直径较小的气泡在上升过程中扰动会更剧烈,初始直径较大的气泡在上升过程中易发生分裂现象。     

关于一维两流体模型中界面阻力计算的研究

一维两流体模型中,界面阻力是决定相间耦合程度的关键参数,其计算方法目前有漂移流模型法和阻力系数法。本研究利用子通道程序,基于圆管空气-水两相实验数据,对这2种计算方法进行了评估,结果表明一维两流体模型中漂移流模型法的预测能力要优于阻力系数法。同时评估了两相流动中分布效应对界面阻力计算的影响,结果表明在低空泡份额区分布效应影响较小,而高空泡份额区其影响明显。      

不同背压下旋流式气液分离器工作特性

以一种适用于熔盐堆脱气系统的旋流式气液分离器为研究对象,利用流动可视化技术,对分离器气芯的形成进行了深入研究。研究结果表明,分离器的分离效率与气芯密切相关,分离器内形成稳定气芯就可实现对流体中气相的连续分离,分离器的背压对气芯的形成有重要影响。通过高速摄像技术记录了气芯的演变过程,气芯的演变主要分为负压、平衡、微正压和稳定四个阶段,不同的旋流数S和雷诺数Re下均可经过四个阶段最终形成稳定气芯,只是对应临界背压不同,分离器的经济性不同。利用计算流体动力学模拟软件Fluent模拟了背压对气芯形成过程的影响,计算结果与实验结论基本一致,背压越大,气芯越稳定,但分离器分流比越高,经济性越差,背压超过一定值时,贯穿分离器的气芯将逐渐被压缩变短。     

液态金属镓回路搭建及无窗靶实验研究

液态金属回路是开展液态金属散裂靶关键技术与实验验证的必备实验平台。镓具有较低的熔点、非常高的沸点,且无毒性,可在液态金属回路实验中作为模拟介质使用。本文介绍了一套小型液态金属镓回路的设计思路、结构组件、基本功能及使用流程,给出了液态镓在变频离心泵驱动下强制对流的流量、压力、压差及无窗靶自由液面位置和形态的实验测量结果,并分析了压力、压差及自由液面位置随流量的变化关系。结果表明,无窗靶自由液面位置主要由流体压力和流速决定。     

密度锁内流体分层界面下移情况的相关研究

分析了密度锁内流体分层界面形成的原因,建立了一个简单的力学模型解释界面下移的原理,通过实验数据验证了这一原理;并通过实验验证了栅格形状、栅格尺寸、扰动大小和温差因素对界面下移速度的影响。结果表明:四种因素中栅格尺寸和温差对界面下移速度有影响,栅格小通道截面面积越小,界面下移越慢;温差越大,界面下移越慢。     

电子束引出窗冷却研究

研究1MeV、40mA工业辐照电子加速器引出窗钛膜受力状况,确定钛膜在大气作用下的几何形状,计算电子束在钛膜上各点的入射角度和相应的穿越深度,给出电子束在钛膜上的能量损失分布与钛膜强度、厚度、跨度之间的关系。分析钛膜自身热传导和热辐射的散热能力,表明强迫风冷是提高引出窗输出能力的重要冷却方式。结合数值模拟方法,重点研究强迫风冷的散热能力与出口风速、钛膜曲率半径之间的关系。发现常规风冷结构设计中可能出现回流区,成为窗膜的冷却盲点,需通过结构优化设计消除回流区的影响。     

球体表面强制对流膜态沸腾换热的数值模拟

使用改进后的流体体积法(VOF)追踪汽液自由界面,开发了用于计算带相变的自由界面问题的基于适体坐标的计算流体力学(CFD)程序,对球体表面强制对流膜态沸腾换热进行了数值模拟.将数值模拟结果与实验关联式进行了对比.结果表明,数值计算较好地模拟了球体表面强制对流膜态沸腾的物理过程.     

ITER氦冷固态实验包层模块第一壁氢同位素双向输运数值分析

氦冷固态实验包层模块(HCCB-TBM)安装于国际热核聚变实验堆(ITER)中,用以验证HCCB包层概念的氚增殖能力与热移出能力。HCCB-TBM第一壁用于承受堆芯等离子体粒子轰击和包容内部功能材料。外侧等离子体驱动氘、氚粒子渗透与内侧氢分压驱动渗透的同时存在,形成了第一壁的双向氢同位素输运。此双向输运可能对第一壁外表面再循环系数、包层增殖氚的纯化产生重要影响。基于商业软件COMSOL建立第一壁双向氢同位素输运模型,研究第一壁的氢同位素的输运特征。仿真结果表明：第一壁中的冷却剂流道具有强的氢同位素移出能力,使得双向输运解耦合;在ITER等离子体脉冲周期中,放电过程中已扩散到材料内部的氚在等离子体关停时扩散回流到真空室侧,关停时的回流将降低向冷却剂流道的氚渗透损失。     

基于扩散界面法的液态LBE中单个弹状气泡上升行为CFD研究

利用扩散界面法对液态铅铋合金中弹状气泡在垂直管中的上升过程进行数值模拟研究,用来验证扩散界面法在模拟液态铅铋合金(LBE)中弹状气泡上升行为的准确性和可行性,并对模拟结果进行进一步分析,来解释弹状气泡在LBE中的上升行为。数值模拟得到不同液体流速情况下弹状气泡在上升过程中的形态和速度变化,数值模拟结果与文献中的经验关系式以及实验中的结果都吻合良好,证明了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中弹状气泡上升行为的准确性和可行性,为液态金属和弹状气泡的两相流提供了一种新方法。对数值模拟结果进行进一步分析,发现气泡尾部形态变化较大,会在尾部两端分裂出子气泡,尾部附近流场产生旋涡,受到强烈干扰而出现湍流,对于提高换热效率起到积极作用。气泡上升对尾部区域产生影响的最远距离约80 mm,为连续气泡的注入提供了气泡间距参考值。     

冷冻靶封装套中辅助热流密度的优化

为研究达到控温要求的冷冻靶封装套辅助加热量,建立了带有屏蔽罩和暴风窗的冷冻靶的二维轴对称模型。考虑封装套外屏蔽罩辐射强度和封装套内填充气体压力对冷冻靶温度场的影响,利用FLUENT软件对冷冻靶温度场进行了数值模拟计算。结果表明：合理选择上、下辅助加热带的热流密度及其差值,可使靶丸外表面最大温差降至0.1 mK以下;辐射强度越强,气体压力越大,靶丸表面最大温差越大,为实现靶丸外表面温度均匀性要求所施加的上、下辅助热流密度的差值就应越大。     

采用多边形壁面的MPS粒子分裂算法研究

反应堆严重事故模拟中涉及大量含有自由界面或组分界面的多相流动,不具有拓扑结构的粒子法在这类流动的模拟中有其独特的优势。本文在移动粒子半隐式（MPS）法的基础上开发了适用于多边形壁面的粒子分裂模型。针对多粒径模拟及多边形壁面的特殊性,对粒子有效半径、数密度、梯度算子模型、拉普拉斯算子模型和表面粒子识别模型等进行改进,并对分裂过程进行简要阐述。将改进后的MPS法运用于无挡板及有挡板的溃坝实验模拟计算。计算结果表明,采用多边形壁面的粒子分裂模型对复杂自由液面捕捉清晰,且计算时间仅为传统MPS法的18.75%,但监测点的压力波动较大。改进后的模型在保证准确性和精度的同时提高了计算效率,为进一步计算三维相变传热奠定基础。     

基于FOCUS程序的ADS颗粒流靶熔化事故分析

针对ADS颗粒流靶熔化事故，采用基于移动粒子半隐式（MPS）方法开发的FOCUS程序模拟了颗粒靶在靶区出口堵塞时的流动、传热过程和熔融物的迁徙过程。结果表明，颗粒靶尺寸越小，整个系统的换热能力越强，颗粒熔化的速率越快。在颗粒的传热方式中，颗粒接触导热的作用最为显著，是颗粒间主要的换热过程。