随机填充球床通道内单相流动数值模拟方法研究

利用离散单元方法(DEM)建立通道内球体随机排列几何模型,对通道内单相流动进行数值模拟并进行验证。网格划分中的曲面接触区采用搭桥法处理不仅可生成高质量网格,而且使整体网格数量也明显减少。验证结果表明:计算得到的通道内径向孔隙率分布、平均孔隙率以及流动阻力与经典关系式吻合较好;计算模型能够很好地体现出边壁效应对流动阻力的影响。     

球床规模对孔隙流动特性影响的CFD模拟研究

对不同规模的有序堆积球床结构进行建模,并使用计算流体力学(CFD)方法对球床孔隙通道内的单相流动进行数值模拟。球床结构的孔隙区域采用混合网格划分策略,球床的计算规模达到11层,共141个颗粒,能够较真实地反映较大规模球床内部的孔隙流动特性。同时考察了球床的规模大小对其孔隙流动以及床层流动压降的影响规律,获得不同径向规模体心堆积球床的阻力关系式。针对截面积较小的方形通道分析了边壁效应对孔隙流动的影响机理,并通过孔隙流道的沿程压降评估了球床入口/出口效应对床层阻力的影响范围。     

TMSR-SF球床随机堆积结构的离散元模拟

中国科学院上海应用物理研究所设计的10 MW固态燃料钍基熔盐实验堆(Thorium-based Molten Salt experimental Reactor with Solid Fuel,TMSR-SF)是一种球床型氟盐冷却高温堆,其三维球床随机堆积结构对于堆芯反应性变化和换料分区方案以及热工水力分析中的流动传热都具有重要的影响。为了研究TMSR-SF堆芯球床随机堆积规律,基于PFC3D(Particle Flow Code 3 Dimensional)程序,分别计算并分析了填充颗粒球大小、颗粒间摩擦系数以及填充颗粒球数对球床稳态堆积结构的影响。结果表明:填充直径小的颗粒球,可使球床孔隙率振荡减弱,有利于堆芯功率密度分布的展平;通过减小颗粒间摩擦系数能较好地模拟振动压实效果,压实过程中颗粒间摩擦系数与稳态堆积球床孔隙率和配位数满足负指数关系。当填充颗粒球数超过约8 000个后,球床平均孔隙率和配位数变化趋于恒定,分别稳定在0.43和5.6左右;此时颗粒球数量对球床稳态堆积结构的影响降至最低,可被用来代替满装堆时的球床用于TMSR-SF自然循环的热工水力数值分析,达到节省计算资源的目的。本研究对理解TMSR-SF堆芯球床结构特性与堆积规律具有参考价值。     

基于单元体理论的球床堆积结构与传热算法研究

以球床堆积结构为分析对象,利用离散单元法(DEM)进行数值模拟,实现球床的堆积并取得良好结果。随机堆积的球床中极少有颗粒达到最密集堆积状态,在靠近球床壁面处孔隙率迅速增加。对整个球床进行Voronoi单元体划分以分析球床局部结构,在大空间区域处堆积具有随机特点,在靠近壁面处呈现有序堆积特征。对每个单元体建立热平衡方程,实现对球床局部温度场的仿真,温度场计算结果与实验结果符合得很好。     

球床堆流动与传热数值模拟

采用离散元方法(DEM)模拟球床反应堆内燃料球的随机分布,通过计算流体力学(CFD)方法研究球床堆内的流动与传热。结果表明:球与球之间的间隙处压力较低;而流速、温度、涡强度较高。沿径向分布,压力、涡强度、换热系数随孔隙率的增加而降低;流速随孔隙率的增加而增加。     

模块式球床反应堆内颗粒流动特性二维数值模拟

采用颗粒离散元方法(PDEM),对模块式球床反应堆内球形燃料元件循环流动的流动特性进行数值模拟,分析了反应堆堆芯内速度场、球体混合情况和球体摩擦系数、壁面摩擦系数对流动特性的影响.计算结果表明,在圆柱结构区域内,颗粒以稳定质量流形式向下移动,颗粒径向偏移很小无混合现象发生;在倒锥形区域,颗粒受器壁结构的影响而向中心会聚流动,颗粒径向偏移增大;颗粒摩擦系数和壁面摩擦系数对颗粒流动的轨迹和滞留时间均有影响,降低摩擦系数有利于均衡燃料球和石墨球的停留时间.     

FLiNaK熔盐高温试验回路电磁感应加热的数值模拟

FLiNaK熔盐高温试验回路中的球床实验区旨在研究FLiNaK熔盐与燃料球的换热、腐蚀特性。石墨球床实验区采用独特的中频感应加热技术加热石墨球导体,模拟球床先进高温堆(Pebble Bed Advanced HighTemperature Reactor,PB-AHTR)堆芯燃料球的释热。为了研究石墨球堆积方案对感应加热的影响,利用有限元方法对电磁感应加热进行数值模拟,获得石墨球导体的涡流损耗功率,并从涡流功率和功率分布两方面对三种石墨球堆积方案进行对比分析。结果表明:三种堆积方案的相对轴向功率分布几乎一样,每层石墨球不相切堆积方案的径向功率分布比另外两种堆积方案的径向功率分布更均匀;为了均匀加热石墨球,更好地模拟PB-AHTR堆芯燃料球释热,建议采用每层石墨球间不相切的堆积方案。     

硅酸锂球床传热传质特性与吹扫气体流动的DEM-CFD耦合模拟

氦冷固态增殖包层是中国聚变工程实验堆（CFETR）的3种候选包层概念之一,氚增殖球床是包层的核心部件,采用硅酸锂颗粒作为氚增殖材料。球床结构对氚在球床内的输运行为及流动和传热均有重要影响。本文基于离散单元法（DEM）生成了满足氚增殖球床填充率要求的随机堆积结构,通过CFD计算获取了球床结构下氚在吹扫气体内的等效扩散系数及吹扫气体的流动特性,包括速度分布、压力分布及进出口压降;开展了外加热流及有内热源两种工况下球床等效导热系数的模拟。计算结果表明,球床结构下氚在吹扫气体内的等效扩散系数为二元气体扩散系数的40%;受球床结构影响,球床内存在流动迟滞区,壁面出现流动加速;拟合得到Ergun方程的黏性阻力系数C1=87;有内热源工况下的球床等效导热系数低于外加热流工况下的球床等效导热系数。     

整体加热球床通道内流动过冷沸腾起始点的实验研究

以新概念球床水冷反应堆为背景,对含内热源球床通道中流动过冷沸腾起始(ONB)点的相关特性进行实验研究。选用直径8 mm的表面氧化碳钢球形成随机堆积床,利用电磁感应技术对球床整体加热,研究孔隙质量流速G、工质入口温度Tin和轴向测量位置对ONB点热流密度qONB的影响。实验结果表明,当热流密度q增加到一定值时,壁温Tw随热流密度q的变化曲线会出现拐点,此拐点即为含内热源球床通道内流动ONB点;qONB随G的增加而增大,随Tin的升高而减小;越靠近球床通道出口,qONB越小。导出了计算含内热源球床通道内qONB的无量纲准则关系式,预测值与实验值的偏差在±20%的范围内。     

球形燃料颗粒点接触处理方法研究

建立规则填充球床模型进行湍流对流换热计算流体动力学(CFD)模拟,采用搭桥法处理球形燃料颗粒点接触的问题,研究了桥柱尺寸对球床通道流动压降和换热特性的影响,并在实验结果验证的基础上,确定了合适的桥柱尺寸范围。研究结果表明:缩小桥柱尺寸会提高体心立方和面心立方两种球床内压力梯度的计算结果;在桥柱直径不大于0.1倍球径的范围内,桥柱尺寸不会对这两种球床的平均流动压降和换热特性产生显著影响;在球床内流动和换热模拟中,桥柱直径取为0.1倍球径是比较合适的选择。