基于ANSYS的高温熔盐泵应力分析与结构优化

高温熔盐泵是钍基熔盐仿真堆(Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel,TMSR-SF0)一回路系统的关键设备,设计温度高达700°C,其结构完整性对反应堆安全运行至关重要。针对TMSR-SF0高温熔盐泵泵罐初始平封头设计方案应力过大问题,提出了三角形、单井形及双井形三种筋板优化方案,研究了筋板间距对双井方案泵罐应力的影响,制定了泵罐的最终设计方案,按照美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)标准第III卷第5册对其进行了评定。结果表明:三种方案均可大幅降低泵罐应力水平,双井方案最优,单井方案次之,三角形方案最差;泵罐最终设计方案为双井方案,此方案可使泵罐应力由413.4 MPa下降至65.4 MPa,应力降幅高达84.2%,并通过了ASME标准评定。     

熔盐堆高温熔盐泵液下轴承表面织构分析与优化

高温熔盐泵是使用熔盐冷却剂热工回路的"心脏",为回路中的熔盐强迫循环提供动力。目前熔盐堆使用的高温熔盐泵采用悬臂式结构,其较长的液下主轴需要采用滑动轴承支撑。在轴承表面加工出具有一定尺寸和规则排列的几何形状,是改善轴承表面摩擦学特性提高承载能力一种有效手段。本文采用有限体积法对高温熔盐泵轴承进行研究,以光滑轴承作为对比项,分析了长条织构、圆形织构、正方形织构和十字形织构对轴承承载能力的影响,通过优化织构的形状、密度、深度等参数,得到长度8 mm、宽度3 mm、深度20μm的十字形织构,这种织构形式的轴承承压能力最好,可以为高温熔盐泵轴承设计提供有效的理论指导。     

不同工质对高温熔盐屏蔽泵水力优化设计的影响研究

作为核能创新技术,高温熔盐屏蔽泵（简称熔盐屏蔽泵）可用于第四代熔盐反应堆,通过水力优化设计提升泵的水力性能对第四代核电技术的发展有重要意义。本文利用ANSYS CFX软件对熔盐屏蔽泵进行数值模拟,基于响应面法（Response Surface Methodology,RSM）建立了显著参数与优化目标之间的近似模型,以效率和扬程为优化目标,通过第二代非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic AlgorithmⅡ,NSGA-Ⅱ）分别对熔盐屏蔽泵开展熔盐和水工质下的水力优化设计。结果表明：相比于水工质,熔盐工质下泵的优化空间更大;两种工质下的优化模型效率相同时,熔盐优化模型叶轮进口直径和叶片出口安放角较小,叶轮出口宽度和导叶喉部平面宽度较大;与初始模型相比,熔盐优化模型效率提高了1.26%,扬程提高了1.40%,水优化模型效率提高了0.92%,扬程降低了0.64%。研究成果可用于指导熔盐屏蔽泵的水力结构设计。     

小型NaK热真空电磁泵热控措施影响分析

热真空电磁泵是一种在热真空环境条件下使用的高温电磁泵,换热途径的缺失使得设备整体温度很高,高温会使结构和功能材料的性能剧烈下降。本文采用数值计算方法对中国原子能科学研究院研制的小型NaK热真空电磁泵内构件温度分布进行了计算。结果表明：在泵沟外壁采用真空隔热屏、气密腔室内外壁喷涂黑体涂层的热控措施行之有效,降低了设备内构件尤其是励磁线圈的温度,提高了设备的使用寿命。     

钍基核能系统熔盐泵液下轴承偏心率对支撑特性的研究分析

随着钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System,TMSR)由实验堆向研究堆、示范堆及商用堆发展,其轴系演变为由液下轴承支承的细长柔性转子结构。高温熔盐泵是钍基核能系统的主要动力部件,是TMSR的心脏设备。熔盐泵的运行稳定性和可靠性取决于液下轴承的支撑特性。本文采用数值模拟对液下轴承进行理论计算分析,并结合试验研究了不同偏心率对液下轴承支撑特性的影响。结果显示:随着转速增大,液下轴承的偏心率不断减小;随着偏心率的增大,液下轴承支撑的正交刚度和阻尼不断增大,交叉刚度和阻尼的数值也不断增大,液下轴承的最小液膜厚度不断减小。当偏心率大于0.6时,由于最小液膜厚度较薄,液下轴承的压力以零和零梯度结束。此时液下轴承在实际运转中存在液膜失效导致液下轴承磨损严重,此结果在试验中得到了验证。本文研究成果为超高温长轴熔盐泵液下轴承的设计提供了理论指导和试验数据支撑。     

基于正交试验的核主泵导叶水力性能数值优化

为提高核主泵整机水力性能,实现叶轮、导叶与环形压水室的最优匹配,以AP1000核主泵为研究对象,保持叶轮与蜗壳几何参数不变,选择导叶进口冲角、导叶包角和导叶出口角为正交试验方法的3个因素,并根据各因素的值确定取值范围。基于雷诺时均N-S方程、RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,应用CFD技术对核主泵进行了正交试验和数值优化。正交试验和因素显著性分析表明:额定工况下,优化后的模型泵较原模型泵扬程提高0.55m、效率提高0.66%;小流量工况下,优化后的杨程和效率提升更加明显;导叶包角和导叶出口角对泵水力性能的影响较为显著,导叶流道扩散程度决定了导叶流道的水力损失;导叶进口冲角、导叶出口角和导叶包角之间的相互作用对泵水力性能的影响不显著,可忽略。对导叶包角的研究表明,在小流量工况下,导叶包角与泵的效率呈正比,在大流量工况下,导叶包角与泵的效率呈反比。     

可移动式熔盐冷却高温堆(TFHR)热工水力特性不确定性分析

基于不确定分析软件DAKOTA、反应堆热工水力最佳估算程序RELAP5,编写程序耦合接口,对新型20 MWth棱柱式熔盐冷却高温堆稳态热工水力特性进行不确定性分析。选取关键热工参数(如功率、物性、几何尺寸)作为变量输入,基于现有实验堆安全运行经验,指定各参数概率密度分布,经过大量重复性计算,最终得到在95%置信水平下燃料峰值温度的统计分布,进而分析反应堆安全特性。统计结果表明:传热系数和燃料气隙的不确定性对燃料峰值温度影响最为显著且为负相关;燃料峰值温度有0.5%的概率超过燃料稳态运行极限,现有反应堆设计方案需进一步优化。     

液态熔盐热堆燃料管理方法研究与分析

为研究液态熔盐热堆的燃料管理性能,需解决复杂堆芯结构的均匀化、燃料的混合及在线后处理3个问题。本文基于确定论程序DRAGON5与DONJON5,开发了液态熔盐热堆的燃料管理程序LMSR,并进行了验证。使用LMSR对液态熔盐热堆进行计算与分析,结果显示使用²³⁵U与²³⁸U启堆,加入燃料为²³²Th与²³³U条件下,后处理提取重金属的效率至少需要90%。此外,为维持堆芯有效增殖因数在1.0～1.005之间,加入的燃料中²³³U平均等效质量富集度在40%附近。     

基于流热固耦合的U型管式熔盐换热器温度场与应力场分析

熔盐换热器因其系统压力低、运行稳定以及经济性能好等特点在太阳能、核能和高温制氢等领域得到广泛应用。由于熔盐运行温度高,冷热流体温差大,导致熔盐换热器主要部件中产生的热应力不可忽略。本文采用流热固耦合方法分析U型管式换热器的温度场与应力场,首先运用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）分析获取了换热器主要热性能参数,并与实验结果进行对比,最大偏差约3.07%,验证了CFD流体仿真结果的准确性。在此基础上,对熔盐管壳式换热器运行工况下的传热过程进行了详细分析,获得换热器流场和温度场。最后,通过Ansys workbench有限元软件计算得到由流场、压力场和温度场耦合产生的应力场,并着重分析了与换热管及壳体相连接的管板的应力分布,给出了管板最高应力值及某些路径的应力变化规律。结果表明：应力较大的部位发生在管板的布管区与非布管的连接区域,位于近壳侧的换热管内壁处,距离管板下端面约2 mm的位置。可为熔盐换热器实际运行和结构设计提供重要参考。     

高温气冷堆下联箱热气混合的数值模拟和几何优化

高温气冷堆下联箱用于混合温度不均的堆芯出口气体。已有研究显示,当前下联箱设计方案的气体混合能力尚待提高,由其导致的压力损失则需进一步降低。本文采用数值模拟方法,并对比实验数据,讨论了适用于下联箱几何优化的网格类型和网格规模,通过合并原有的肋片状流道以及扩展热气导管起始端,对下联箱的几何形状进行了优化,并通过对比不同优化方案选出了兼具提升气体混合率和减小压力损失的改进方案。本文的研究结果可为高温气冷堆下联箱的改进设计提供参考依据。     

Thermal Analysis and Optimization for Cryopanel of NBI Cryocondensation Pump

Excellent vacuum performance ensures a high beam transmission efficiency of the neutral beam injector （NBI）. The vacuum performance is mainly determined by the cryoperformance of the cryopanel of the cryocondensation pumps which are the main vacuum pumps of NBI. In order to optimize the cryoperformance, the requirements for the temperature distribution and the heat load of the cryopanel are analysed and the factors that affect the cryopanel＇s temperature distribution are studied. The results indicate that the temperature difference of the cryopanel can be reduced by fabricating the cryopanel with high thermal conductivity material, increasing its thickness and cutting the distance between the two upward cooling pipes. The results may be applied to a cryopanel cooled by forced flow liquid helium.     

热管式辐射器热工水力优化分析

热管式辐射器广泛应用于空间系统废热排放,其管道复杂,包含热管、翅片和包壳等复杂结构。针对热管式辐射器的流动与换热问题,本文采用CFD软件与自主研发程序RATHAL相结合的方法。先用CFD软件计算流动管道及集流环上的流量分配,再将该结果代入RATHAL程序中计算得到辐射器的温度分布。根据计算结果,以均匀温度分布为目的,对现有结构提出了合理的优化意见。结果表明,采用CFD软件与自主研发程序RATHAL相结合的方法能尽量真实并高效地模拟辐射器的流量分配与温度分布情况,且经过优化后辐射器集流环间的温差大幅缩小、设计更加合理。     

Optimization of Hot Gas Chamber in High Temperature Reactor

The flow field in the hot gas chamber of the High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGCR) was studied with the Computational Fluid Dynamics (CFD) program CFX5. On the basis of the experimental studies, the velocity field, pressure field and temperature field in the hot gas chamber and hot gas duct were obtained, and the simulation's accuracy and reliability were validated by comparison with the results of previous experiments. Two other design schemes of the hot gas chamber were calculated in order to determine which hot gas chamber would be optimal for minimizing temperature differences at the inlet of the heat exchanging components. The results indicated that there was much highly turbulent twisting flow in the hot gas chamber, which was responsible for the excellent temperature mixing effect of the hot gas chamber. But the flow in the rib region was calm, and this fact hindered the heat transfer between the hot and cold gas. The temperature mixing coefficient increases with the increase of the hot gas duct's distance from the hot gas chamber. The hot gas chamber without ribs was more beneficial to the heat transfer between air flows with different temperatures, so the hot gas chamber without ribs was indicated as the optimal design.     

MW级空间核反应堆系统热管式辐射散热器分析及优化

空间核反应堆是空间核电源和核推进的研究基础,大功率核反应堆的体积和质量一直是限制航空航天设计的重要因素。针对这一问题,本文对MW级空间核反应堆系统热管式辐射散热器进行建模和分析,建立热管式辐射散热器的热阻模型,利用穷举法和遗传算法在给定工况下探讨裸碳纤维翅片长度L_f和厚度δ_f、冷却剂质量流量m、辐射散热器入口温度T_f1对散热器质量M的影响。结果表明,当T_f1=800 K、L_f=5 cm、δ_f=0.16 mm、m=9 kg/s时,M达到最优,为906.593 kg,优化了0.63%的系统质量。     

安全壳喷淋泵转子系统热冲击特性分析

为研究1 000 MW级核电站用安全壳喷淋泵的热冲击特性,对热冲击作用下泵内部流场进行了数值计算。热冲击工况下泵内径向力逐渐变大,波动更为剧烈;轴向力逐渐变小;径向力和轴向力的波动趋势与常温工况的一致。将内流场模拟得到的热载荷及压力载荷加载到结构体上,分析热冲击下转子系统过流部件的温度分布,并分析其热应力与机械应力分布规律。结果表明：热应力对结构的破坏占主要作用;最大的热应力集中在轮毂上,最大的机械应力在轮毂与叶片的交界处;叶片上热应力和机械应力分布均满足叶根至叶顶依次减小的规律。     

高温氢工质热物理性质计算分析

氢工质在新能源与动力、航天推进、化工材料等领域有着广泛应用。通过开展高温氢工质热力学与输运性质研究,建立了原子态氢、分子态氢、热解平衡态氢的热物理性质计算模型,开发了热物性计算程序Prop_H_H2,适用范围为温度100~3 500 K、压力104~5×107 Pa 。验证表明,Prop_H_H2在适用范围内计算氢工质的物性参数合理可靠,在温度200~3 000 K、压力104~107 Pa范围内,程序预测值更加准确,相对偏差在±5%左右。本研究可为氢工质相关的航天推进、应用物理学、能源动力等行业的科研和应用提供支持借鉴。     

高温、高流速氢气在圆管内流动换热特性研究

为探究工质在核热推进反应堆冷却剂通道内的热工水力行为,基于数值计算方法,开展了圆管内高温、高流速氢气流动换热特性研究。通过与实验数据对比发现,采用压力基耦合算法、SST k-ω湍流模型以及物性模型进行高温、高流速氢气流动换热特性数值模拟是合理可行的,计算值与实验值符合较好,计算模型选择正确。在分析基础工况流场与温度场的基础上,还研究了热工参数对氢气管内流动换热特性的影响,结果表明,随质量流量的增大换热效果增强,随热流密度的增大换热效果变差。研究方法与结果可为高温、高热流密度环境下气体工质流动换热特性研究、核热推进反应堆的热工设计与仿真模拟提供参考。