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。     

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。     

基于水工质的有窗散裂靶流场分析及实验测量

散裂靶是加速器驱动的次临界系统(ADS)的重要组成部分,有窗散裂靶是唯一经实验验证、测量的液态金属高功率散裂靶,研究有窗靶内工质的流动对散裂靶的设计优化有重要意义。本文以水为工质对有窗靶件进行了可视化实验及数值模拟研究,实验采用粒子图像测速法对靶件可视化部分进行速度场测量,同时利用计算流体力学软件FLUENT对靶件流场进行数值模拟。通过5种湍流模型（标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realk-ε模型、SST k-ω模型、RSM模型）在不同流速下的模拟结果与实验结果的对比分析,表明采用RNG k-ε模型并结合相应的壁面函数能较准确模拟有窗靶内的流动。     

基于扩散界面法的ADS无窗散裂靶自由界面数值研究

采用水作为模拟工质,用扩散界面法和有限元法以及k-ε湍流模型对无窗靶件的自由界面非稳态特性进行数值模拟。结果和实验吻合较好,表明扩散界面法能准确地进行模拟,并且结果表明流场中存在一个回流区以及中心线沿程压力存在一个谷值和峰值。通过计算不同出口背压下的自由界面的形状和高度,获得出口压力对界面稳定性的影响,同时计算不同出口背压对回流区长度的影响以得到增大无窗靶的热移出能力的规律,结果表明:出口背压在900Pa以上,自由界面较稳定,不会产生明显的气泡,出口背压越大,自由界面越稳定,高度越高;同时,出口背压越大,回流区的高度越低,热移出能力越强。     

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     

二维孔隙结构内单相流动阻力特性数值模拟

利用计算流体力学(CFD)商业软件CFX 10.0,采用标准k-ε、RNG k-ε以及SST模型3种不同的湍流模型,对矩形管内球形颗粒作2维有序排列所形成的孔隙流道的等温单相流动进行数值模拟,并与Ergun关系式预计值进行对比;探讨球形颗粒的排列方式、直径等对单相流动阻力的影响;研究矩形管内单位长度压降及阻力系数随孔隙雷诺数Re的变化规律(1.5≤Re≤1497)。     

骨架发热多孔介质竖直通道内强制对流换热数值研究

采用局部非热平衡模型,在层流范围内对骨架发热多孔介质竖直通道内的非达西强制对流换热进行了数值研究.采用Forchheimer-Brinkman拓展Darcy模型描述多孔介质内的流动,详细研究了表观雷诺数Re(0.5≤Re≤50),有效导热系数比Γ(0.001≤Γ≤1.0)和Da(10-3≤Da≤10-5)变化对多孔介质流道内流动换热的影响.计算结果表明:Re、Γ和Da变化对流道内流动换热影响显著;当Re、Γ较小而Da较大时,多孔介质流道内局部非热平衡效应明显,必须采用局部非热平衡模型才能对流道内的对流换热特性进行合理准确的预测.     

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。