液态铅铋合金回路氧输运特性的数值研究

为研究液态铅铋合金（LBE）冷却剂系统气态氧控装置——膨胀箱中覆盖气体的氧输运特性,利用计算流体动力学（CFD）软件ANSYS Fluent对氧输运进行了数值计算。根据覆盖气体流动特性和混合气体中低氧分压特点,对膨胀箱气相空间进行简化,将气-液交界面视为氧浓度恒定的自由表面边界,采用组分输运模型计算气体和液态LBE之间传质后的液态LBE氧浓度。结果表明,传质系数随液态LBE入口流速增大而增大,液态LBE入口流速增大则膨胀箱内气-液对流强度增加,有利于增强膨胀箱的氧输运;膨胀箱中液态LBE温度越高,则氧输运的平均传质系数越大;在液态LBE入口流速一定时,平均传质系数可表示为温度的递增函数。在饱和氧浓度阈值内,入口氧浓度和气-液交界面氧浓度不影响膨胀箱的传质系数,对液态LBE回路的氧浓度控制有利。本研究定量获得了使液态LBE回路处于合理氧浓度范围内的操作条件,为实验及系统设计提供数据参考。     

铅铋快堆SGTR事故下高压过冷水注入高温铅铋合金流动传热数值模拟研究

铅铋快堆内蒸汽发生器传热管两侧为高压过冷水和高温铅铋冷却剂,传热管两侧较大的压差和温差以及液态铅铋合金（LBE）的腐蚀效应可能造成蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故。深入研究事故后高压过冷水冲击高温液态LBE的射流沸腾和相变产物蒸汽扩散的特征,具有十分重要的学术意义和工程应用价值。为揭示事故工况下液态LBE与水相互作用的传热传质机理,基于流体体积（VOF）方法,结合LES湍流模型和Lee相变模型,建立了水/蒸汽-液态铅铋多相流动与传热的三维数值计算模型,系统研究了高压过冷水注入高温LBE内发生的相变传热过程。结合注入压力及过冷水温度等因素,分析了射流沸腾过程中不同工况对射流形态、迁移深度以及沸腾行为的影响,研究结果可为SGTR事故工况下堆芯安全性预测提供指导。     

铅水反应中铅铋合金凝固的数值模拟

为了研究铅铋合金在蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故所引发的铅铋合金与水反应过程中的凝固机理,通过耦合VOF模型、Realizable k-ε湍流模型、凝固传热模型,利用FLUENT软件建立了铅铋合金与水反应过程的二维仿真模型,并将该模型与现有反应实验的结果进行对比验证。随后基于热焓法建立可以直观描述铅铋合金凝固现象的凝固传热特性热焓方程,通过控制模型变量研究影响铅铋合金凝固发生的因素及条件,最后将该模型应用于复杂结构场景中。结果表明,铅铋合金与水的温差、水流喷射初始速度、注水管径是影响铅铋合金凝固的主导因素,本文提出的模型具有较高可靠性,能够模拟实际工况中铅铋合金的凝固现象。本研究所得到的机理性结论与现象学结论能够为铅基快堆安全分析提供理论支撑。      

液态铅铋合金湍流普朗特数及RANS模型优选

工程上常采用RANS湍流模型进行热工水力相关的数值模拟,然而液态铅铋合金（LBE）具有独特的热物性,常规湍流普朗特数模型和RANS湍流模型对其流动与传热模拟的适用性有待研究。为更准确地描述绕丝燃料组件内LBE的流动与换热过程,本文基于大涡模拟对湍流普朗特数模型和RANS湍流模型进行优选。首先,采用四种湍流普朗特数模型对绕丝燃料组件内LBE的流动与传热过程进行大涡模拟,对比分析实验数据和模拟结果并进行模型优选。基于优选的湍流普朗特数模型,评价RANS湍流模型对LBE数值模拟的适用性和准确性。结果表明,Cheng湍流普朗特数模型和SST k-ω模型对LBE流动与传热模拟的准确性和适用性最高。     

铅铋介质闭式换向器运行特性与水锤现象研究

为研究闭式换向器在液态铅铋合金（LBE）介质换向过程中的流量稳定性及其适用性,采用FLUENT软件结合重叠网格方法对三通切换阀形式的闭式换向器换向时上游的压力与速度波动进行计算分析。结果显示,换向过程中,阀芯启动及停止运动时产生水锤,水锤波以介质声速在管道中传播,从而影响管道内压力和速度的分布,水锤波的峰值大小与介质密度、阀芯运动速度成正比,水锤波频率不受阀芯运动速度影响。由于水锤波的波峰值较大,使此类型闭式换向器在LBE下换向动作时上游管道难以维持稳定流量并威胁装置安全,故在LBE流量标定装置中不适用。     

液态铅铋电磁流量计初步标定实验与分析

铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)是加速器驱动次临界系统主选冷却剂材料之一,其热工流量测量面临高温、强腐蚀等苛刻环境。电磁流量计(Electromagnetic flow-meter,EMFM)是目前国际上用于铅铋流量测量的主选设备之一。研究发现,铅铋电磁流量计的标定技术对于其准确测量具有重要作用。本文基于PREKY铅铋技术预研实验平台,对自主研制的高温铅铋电磁流量计进行了标定实验与分析。在温度为350oC、流量为3.8–4.5m3?h-1的工况下,获得了液态铅铋电磁流量计的标定公式。标定公式计算值与实验值之间的误差范围是-4.9%–5.9%。     

液态金属中固态颗粒物运动特性的数值模拟

液态铅铋合金(Liquid Lead-Bismuth alloy,LBE)是第4代液态金属冷却反应堆首选的冷却剂材料,但面临氧浓度降低困难的问题,理论上通过氢化锂与氧反应可以降低其中的氧浓度,然而反应产物不溶性微小颗粒物氧化锂会威胁反应堆的安全运行。以铅铋合金系统的膨胀箱为研究对象,利用fluent软件对圆柱形箱体内固态颗粒物运动进行分析和模拟,连续相采用标准k-ε模型,固相颗粒物采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM),研究铅铋合金中氧化锂颗粒物的运动规律。结果显示:大直径的氧化锂颗粒上浮时间短,在径向方向的位移小,导致靠近轴心的浓度较高,小直径的氧化锂颗粒上浮时间长,在径向方向的位移大,导致靠近轴心的浓度较低。为后续铅铋合金系统的净化与控制提供参考。     

铅铋共晶合金流动传热特性及不溶性腐蚀产物沉积特性数值模拟

作为ADS次临界堆首选的冷却剂材料,铅铋共晶(LBE)合金中出现微小颗粒物会威胁反应堆安全,同时缩短反应堆的使用寿命。为此,利用FLUENT软件对矩形通道中不溶性腐蚀产物的沉积分布进行了模拟研究。对连续相采用标准k-ε模型预测湍流变化,对颗粒相采用离散相模型(DPM)跟踪颗粒运动轨迹。研究发现,沉积效率与流体和冷壁之间的温差呈正相关;近壁面是颗粒物的高浓度区、低温区,这种分布有利于颗粒物在壁面上的沉积;近壁面是高湍动能区,不利于颗粒物沉积。受到壁面边界层影响,出现二次流现象,即在径向上出现8个对称的径向循环区域。     

基于灰色关联度的棒束通道内液态铅铋合金中颗粒物运动沉积研究

液态铅铋合金在流动中产生的不溶性颗粒物会在流道内局部聚集,影响铅铋快堆的运行。利用ANSYS软件对小型自然循环铅冷快堆SNCLFR-100棒束通道中颗粒物沉积进行了数值模拟计算,得到颗粒物的沉积运动情况;基于灰色理论,得到颗粒物种类、颗粒物粒径、颗粒物速度对颗粒物沉积的影响。结果表明：通道内颗粒物沉积主要发生在入口阶段,进口段表面为大面积附着沉积,在中段及后段表面为点状沉积;随着轴向距离的加大,湍动能大小是影响颗粒物径向分布的主要因素;颗粒物密度以及粒径的增大会加强颗粒物的沉积;颗粒物速度的增大会降低颗粒物的沉积;对颗粒物沉积的影响程度大小为粒径>种类>速度。     

液态铅铋合金在绕丝燃料棒组件子通道间湍流交混数值模拟

液态铅铋合金（LBE）是第四代液态金属核反应堆候选冷却剂,由于LBE热物性具有一定的特殊性,亟待对LBE在燃料组件子通道中的流动与传热过程开展研究。本文对LBE在带绕丝燃料棒组件中湍流流动进行数值模拟与分析,将燃料棒壁面温度的数值模拟结果与响应的实验数据相比较,2者具有较高的吻合度,说明数学模型及数值结果具有较高的可靠性与准确性;使用湍流交混系数β表征LBE在不同子通道间、不同燃料棒间隙宽度与燃料棒直径比（S/D）结构下的湍流交混情况,结果表明,不同子通道间β波动程度具有差异性,β的大小与S/D呈负相关。基于不同S/D与雷诺数的计算结果,拟合出不同子通道间β关联式,为绕丝燃料棒三角形排列方式的燃料组件子通道分析程序开发提供交混模型。      

基于四方程模型的LBE环管湍流换热数值研究

为计算液态铅铋（LBE）在环管内不同加热环境下的湍流换热,基于开源计算流体力学程序OpenFOAM开发了四方程模型求解器4eqnFoam。将LBE在平板和圆管内的预测结果与直接数值模拟结果和实验结果进行对比,验证了求解器的有效性。基于该求解器,分别计算了LBE在外壁绝热内壁加热以及内外壁面等热流加热环管内不同雷诺数下的湍流换热量。结果表明：随着雷诺数的增加,两种加热条件下的无量纲温度脉动、雷诺热流、湍流热扩散作用增大,而平均湍流普朗特数减小;当雷诺数增加到一定程度时,平均湍流普朗特数变化不明显。基于4eqnFoam求解器,可为计算LBE热工水力现象提供更多参考。     

基于MPS方法模拟液态铅铋合金中弹状气泡上升

基于移动粒子半隐式(MPS)方法对液态铅铋合金中单个弹状气泡的垂直上升行为进行数值模拟,得到弹状气泡上升过程的形态变化、气泡最终上升速度拟合直线及下降液膜厚度与下降液膜中的轴向速度分布。将部分数值模拟结果与文献中的实验结果进行比较,揭示了弹状气泡最终上升速度、下降液膜厚度及其中轴向速度分布所满足的规律。比较结果证明了所选取计算模拟模型的正确性与合理性,以及MPS-MAFL方法用于模拟弹状气泡上升行为的准确性与可靠性。     

Erosion of tungsten surfaces in He and Ar/He plasma

Irradiation tests of tungsten surface were performed with He and He/Ar plasma generated by microwave electron cyclotron resonance. Thickness loss was used as the erosion rate of tungsten surface under the plasma irradiation. The results revealed that the thickness loss increased linearly with negative bias. SEM images proved that the addition of Ar apparently increased the plasma erosion. The thickness loss increased sharply with the Ar fraction of Ar/He mixture when it was \20 %,where the increasing slope of thickness loss lowered down gradually.     

基于微液层模型的单汽泡生长数值模拟研究

核态沸腾换热在传热传质方面有着重要的作用,其发生机理和传热传质过程仍是研究的重点。随着实验手段的提高,微液层模型得到了广泛的关注。通过对微液层中传热传质的分析,建立了微液层厚度与热流密度和气化率之间的关系。利用界面扩散法对汽液相界面进行追踪,并在汽泡与加热壁面之间构建微液层模型,研究在核态沸腾条件下,微液层的变化对汽泡生长和加热壁面温度分布的影响。结果表明,数值模拟得到的汽泡生长过程和加热壁面温度分布与实验结果吻合得很好,初步验证了模型的正确性。并通过数值模拟,进一步分析了汽泡生长过程中微液层、干性区域和汽泡底部半径的变化规律以及壁面温度的分布情况。     

基于多孔介质模型的钾热管数值模拟

为研究钾热管内传热传质机理,对钾热管进行了数值模拟。建立了固液气三相耦合数学模型。其中对吸液芯液体流动区域采用了多孔介质模型,该模型考虑了液体流动对热管传热性能的影响。利用PHOENICS3.6对数学模型进行数值计算,得到了热管内的稳态工作参数。分析模拟结果得到了钾热管内部各相工质传热、传质机理,并与试验数据进行了比较。结果表明,模拟结果与试验数据符合较好。     

Quantitative Analysis of Mg in Pipeline Dirt Based on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

In order to maintain the pipeline better and remove the dirt more effectively,it was necessary to analyze the contents of elements in dirt.Mg in soil outside of the pipe and the dirt inside of the pipe was quantitatively analyzed and compared by using the laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS).Firstly,Mg was quantitatively analyzed on the basis of Mg Ⅰ 285.213 nm by calibration curve for integrated intensity and peak intensity of the spectrum before and after subtracting noise,respectively.Then calibration curves on the basis of Mg Ⅱ 279.553 nm and MgⅡ 280.270 nm were analyzed.The results indicated that it is better to use integrated intensity after subtracting noise of the spectrum line with high relative intensity to make the calibration curve.     

基于界面跟踪与两流体模型的耦合模型对金属液柱碎化的数值模拟

针对熔融物与冷却剂相互作用(FCI)过程中多尺度相界面共存的复杂流型,将基于流体体积法(VOF)的界面跟踪模型与两流体模型耦合在一套统一的数值求解框架下,得到一个新的多相流数值模型,可以模拟大尺度界面流体与小尺度界面流体共存的复杂多相流过程。该模型中,对于动量场,流体根据界面尺度分为连续相和离散相。连续相界面通过VOF/PLIC方法进行捕捉,离散相表面积浓度分布通过表面积输运方程模拟。耦合模型的控制方程通过MCBA-SIMPLE算法求解。使用该模型对金属液柱的流动和碎化过程进行模拟,并与实验观测结果进行对比,同时还对液柱碎化速率模型和金属液滴初始直径的影响进行了探讨。结果表明:原液柱碎化模型对液柱贯穿深度有所高估;金属液滴初始直径的选择将对熔融物的冷却效率造成显著影响。     

基于雷诺时均模型的高温空气流动传热数值研究

核涡轮发动机反应堆其堆芯通常采用高温空气作为冷却剂,高温空气的流动传热特性直接关系到涡轮发动机的运行性能。本文基于开源CFD软件OpenFOAM,对直径为4.24 mm、长度为760mm的圆形通道内均匀加热和非均匀加热情况下高温空气的流动传热进行了研究。首先评估了均匀加热情况下k-ωSST湍流模型的适用性;之后分析了均匀加热情况下进口雷诺数等对其流动传热的影响。最后将非均匀加热情况下模拟结果与经验关系式进行对比。结果表明,k-ωSST湍流模型适用于均匀加热下高温空气流动传热模拟;均匀加热情况下,进口雷诺数对努塞尔数影响比较大;非均匀加热情况下,k-ωSST湍流模型模拟结果与Taylor关系式计算结果偏差较大,需要进一步研究和完善。     

基于一维漂移流模型的并联矩形双通道密度波流动不稳定性数值模拟

基于一维漂移流模型构建了并联矩形双通道密度波流动不稳定性数学模型。模型中采用Zuber推荐的经验关系式计算两相流体空泡份额,采用Chisholm关系式和中国核动力研究设计院自拟关系式计算两相流体的摩擦压降。求解过程中将质量方程、能量方程与动量方程解耦,并在计算域内沿流动方向依次求解方程组。计算过程中,首先开展稳态计算,在稳态解的基础上,通过添加流量或功率扰动,诱发流体周期性振荡,通过辨识瞬态计算中得到的流量振荡模式来获得流动不稳定边界。采用数值计算获得的密度波脉动图像与实验中观察到的密度波脉动现象的特征基本一致。最后,针对16组典型实验工况开展数值模拟,结果表明,大部分工况下计算不稳定界限热流密度与实验值的相对偏差小于±20%。     

Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer of Supercritical Fluids in Fuel Bundles

A supercritical water-cooled reactor (SCWR) was proposed as a kind of generation IV reactor in order to improve the efficiency of nuclear reactors. Although investigations on the thermal-hydraulic behavior in SCWR have attracted much attention, there is still a lack of CFD study on the heat transfer of supercritical water in fuel channels. In order to understand the thermal-hydraulic behavior of supercritical fluids in nuclear reactors, the local fluid flow and heat transfer of supercritical water in a 37-element fuel bundle has been studied numerically in this work. Results show that secondary flow appears and the cladding surface temperature (CST) is very nonuniform in the fuel bundle. The maximum cladding surface temperature (MaxCST), which is an important design parameter for SCWR, can be predicted and analyzed using the CFD method. Due to a very large circumferential temperature gradient in cladding surfaces of the fuel bundle, the precise cladding temperature distributions using the CFD method is highly recommended.