Al2O3/H2O纳米流体球形下封头表面气泡脱离行为模拟

压力容器内滞留（IVR）策略可在反应堆发生严重事故后,有效地将堆内熔融物滞留在压力容器内,是防止放射性物质外泄的关键技术。纳米流体是将粒径小于100 nm的固体颗粒加入到基液中以提高换热特性的稳定悬浮液,其热物性以及换热特性与传统固液悬浮液相比有较大区别,适宜的纳米流体种类及配比可强化换热。本文采用引入了无网格对流格式的移动粒子半隐法（MPS方法）研究了体积份额为1.0%的Al₂O₃/H₂O纳米流体和纯水中加热面朝下时气泡在加热面上的成长、脱离以及附着形成气膜的过程,探索了气泡脱离的临界角度及其影响因素,为加速纳米流体的工业应用、增强IVR能力提供理论基础。     

熔融物碎裂特性的MPS研究

在核反应堆堆芯融化事故中,熔融物液滴与液池的相互作用是严重事故中的重要现象,较难进行数值模拟。采用移动粒子半隐式(MPS)方法对熔融物冲击液池以及熔融物在液池中的碎裂过程进行数值模拟。结果表明:熔融物球在冲击液池过程中会迅速变得扁平,同时出现Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性和边界层剥离现象。在碎裂初始阶段熔融物前沿的速度会迅速下降15%。熔融物碎裂行为的模拟结果与实验模拟结果符合较好,验证了MPS模拟熔融物行为的合理性。     

基于气泡动力学的过冷流动沸腾边界层模型研究

过冷流动沸腾中的流动和传热特性对反应堆的安全运行和经济性都具有重要意义。过冷流动沸腾起始于ONB点,结束于Tsat点,中间被OSV点划分为高过冷流动沸腾段和低过冷流动沸腾段,不同阶段流场情况以及气泡行为存在较大区别。目前关于过冷流动沸腾过程的研究主要基于宏观实验、理论研究和数值模拟,随着气泡动力学的发展,从微观层面揭示沸腾机理变得可行。本文基于气泡动力学和气泡边界层模型,提出了一套预测过冷流动沸腾的理论模型,采用分相模型,将流场在径向上划分为多个区域,通过1组准二维控制方程,将各区域内的气泡行为,区域间的质量、动量和能量交换以及两相参数沿轴向的变化情况考虑在内,利用获得的边界层流场信息,可确定ONB点和OSV点。模型与空泡份额和流体温度的实验结果符合良好,并成功应用于核反应堆燃料元件通道的过冷流动沸腾计算。     

流动泡核沸腾中汽泡行为的MPS数值模拟

采用移动粒子半隐式（MPS）方法分别对加热面水平、竖直和45°倾斜放置时流动泡核沸腾中1个汽泡的成长至脱离过程进行了二维数值模拟,并将数值模拟结果与实验结果进行了对比。结果表明：汽泡的形状与成长速率的数值模拟结果与实验结果相符合,数值模拟成功地预测了实验中观察到的汽泡脱离前的滑移现象。     

液态金属内单个气泡上升行为的MPS法数值模拟

液态金属冷却核反应堆采用气泡泵的概念设计来提升堆芯自然循环能力。液态金属内气液两相流动特征将直接影响核反应系统一回路的自然循环能力及堆芯安全。本研究通过采用移动粒子半隐式（MPS）方法,对液态金属中单个上升气泡的气泡动力学行为进行数值模拟。分析了铅铋合金中3种初始直径不同的单个氮气泡在上升过程中的气泡形状和速度的变化趋势;对比了初始直径相同的单个氮气泡在液钾、液钠、铅铋合金、钾钠合金和锂铅合金5种液态金属中的上升行为;同时将模拟得到的气泡形状与Grace经验关系图进行了对比,验证了MPS方法数值模拟结果的正确性。     

基于MPS方法的液态铅铋合金内气泡上升流数值模拟

移动粒子半隐式(MPS)方法捕捉多相流体动力学相界面的能力比传统网格方法具有明显优势.本研究采用MPS方法,使用FORTRAN语言自编程序,对单个氩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瞬态动力学行为进行二维数值模拟,得到气泡变形特性与上升速度的关系.结果表明:在气泡上升过程中,气泡由球形先变成酒窝形状,最...     

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。     

纳米流体饱和池沸腾传热及CHF模型研究

纳米流体传热是一种新兴的换热方式,目前研究多集中在单相研究领域,而纳米流体沸腾传热特性的相关研究较少。本文采用热通量拆分方法,将壁面传热分为4种模型(微液层蒸发、气泡脱离前的瞬态导热、气泡脱离后的瞬态导热以及微对流换热),对这4种模型的传热量分别进行计算,结合壁面核化中心密度等参数,计算了壁面平均传热系数和CHF。结果表明,本文计算结果与国际上已发表的实验数据符合较好,充分验证了所建立模型的合理性。     

竖直环形流道内欠热沸腾时的气泡行为研究

一般在沸腾传热实验中壁面的加热方式有电加热和流体加热两种,流体加热方式下的沸腾传热研究进行得很少.在水加热条件下,对水在竖直环形流道内欠热流动沸腾时的气泡行为进行了可视化研究.环隙宽度为5mm和3mm两种,质量流速分别为16.8～55.3kg/(m2·s)和15.3～62.1kg/(m2·s).可视化实验结果表明:在贴近壁面的区域存在气泡运动层,大部分气泡在气泡运动层内运动.在宽度为3mm的流道中,气泡在脱离壁面前一般会滑动;滑动距离不超过2～3倍气泡直径,并且存在反复胀缩的现象.5mm流道内的气泡则较少发生滑动,往往在脱离壁面后会被弹回壁面.气泡的滑动和离开壁面后又返回壁面的运动方式是沸腾具有高强度传热能力的原因之一.     

单个浸没孔气泡动力学特性的数值模拟

核电厂发生严重事故时可利用池洗效应去除泄漏的放射性气溶胶。对池洗过程进行两相数值模拟研究是有必要的,在使用两相计算流体力学(CFD)程序计算之前需要确定气泡注入点处的边界条件。基于整合池洗研究(IPRESCA)项目框架和流体体积法(VOF),对单个浸没孔气泡动力学特性进行数值模拟研究,捕捉浸没孔处气泡的大小、形状和脱离频率,并对气泡注入速度对气泡脱离频率的影响进行敏感性分析。利用DBSCAN聚类算法获得了气泡质心高度,并计算得到了不同高度的气泡上升速度。给出了平均空泡份额沿z轴方向的分布,以及平均空泡份额和平均混合速度在不同高度平面沿水平及径向的分布。     

CPR100O熔融物堆内滞留(IVR)技术有效性评估

应用基于风险导向的事故分析方法(ROAAM)对CPR1000核电厂的熔融物堆内滞留(IVR)技术进行有效性评价.首先基于4类典型严重事故序列的确定论计算结果和专家判断,确定ROAAM评估所需主要输入参数的概率分布密度,然后利用MOPOL程序计算CPR1000的IvR有效性.初步评估结果表明,CPR1000的堆腔注水ⅣR...     

大功率先进压水堆IVR有效性评价分析

熔融物堆内滞留-压力容器外部冷却(IVR-ERVC)是核电厂重要的严重事故预防和缓解措施。目前IVR有效性的评价方法主要基于集总参数模型对下封头熔池的换热分析。通过计算大功率压水堆在典型严重事故序列中的堆芯熔化过程并参考相关法规,确定IVR-ERVC评价所需的输入参数概率密度函数,然后使用集总参数程序抽样计算以评价大功率堆IVR-ERVC有效性。结果表明:根据目前参数设计,大功率先进压水堆的IVR-ERVC有效性超过98%;最后分析各种不确定参数对IVR-ERVC有效性的影响程度并对堆内构件的设计提出建议。     

船用堆严重事故下熔融物堆内滞留能力分析

堆芯熔化的严重事故,可能导致船用堆下封头失效、熔融物进入堆坑,危害人员及船体安全。本文采用严重事故一体化程序MAAP4,以船用堆全船断电事故为研究对象,针对低压安全注射系统投入时机、低压安全注射水流量,研究下腔室熔池形成后,投入低压安全注射系统对熔融物堆内滞留的作用。结果表明:在下腔室熔池形成后1576?s时,投入两台安全注射泵仍能有效阻止压力容器失效,实现熔融物堆内滞留;在下腔室熔池形成2646?s后,投入低压安全注射系统不能阻止压力容器失效。      

先进压水堆熔融物堆内滞留参数不确定分析研究

压水堆核电厂在严重事故下将发生堆芯熔化事故而形成熔融池。形成熔融池的过程具有很大的不确定性,这影响到反应堆压力容器熔融物堆内滞留（IVR）策略的有效性。本工作以AP1000核电厂两层IVR模型为研究对象,对成功实施反应堆压力容器外部冷却（ERVC）的假想严重事故进行了熔融池参数不确定性分析,包括参数的敏感性分析和使用拉丁超立方抽样的概率分析。结果表明：衰变功率对IVR评价参数影响最大,应采取措施（如上堆腔注水）尽量延缓堆芯熔化的时间;熔融物中不锈钢的质量将对金属层参数造成较大影响,可考虑在压力容器内布置牺牲性材料来减小金属层的集热效应;氧化物层外压力容器失效的概率仅为1.2%,但金属层外压力容器失效的概率高达20%。本结果对今后IVR策略研究和设计具有一定的指导意义,同时也为压水堆核电厂安全评审提供理论支持。     

熔融物堆内滞留条件下压力容器外部自然循环特征分析

基于一维稳态两相分离流模型,并引入低流速过冷沸腾净蒸汽产生点方法,建立熔融物堆内滞留(IVR)条件下的两相流动数值计算模型,以获取两相流真实含气率。通过对比ULPU-V试验中自然循环流量,验证数值计算模型预测结果的准确性。针对AP1000堆型,分析几何结构参数和热工参数对其IVR策略中自然循环流量的影响。分析结果显示,冷却水过冷度、流道间隙、堆腔淹没水位、流道入口面积和出口阻力系数对自然循环过程有着不同程度的影响,自然循环稳态流量呈现出不同的变化趋势。     

Safety Strategy of JSFR Eliminating Severe Recriticality Events and Establishing In-Vessel Retention in the Core Disruptive Accident

In the Japan Sodium Cooled Fast Reactor (JSFR) design, elimination of severe power burst events in the Core Disruptive Accident (CDA) is intended as an effective measure to ensure retention of the core materials within the reactor vessel. The design strategy is to control the potential of excessive void reactivity insertion in the initiating phase by selecting appropriate design parameters such as maximum void reactivity on one hand, and to exclude core-wide molten-fuel-pool formation, which has been the main issue of CDA, by introducing an inner duct on the other hand. The effectiveness of these measures is evaluated based on existing experimental data and computer simulation with validated analytical tools. It is judged that the present JSFR design can exclude severe power burst events. Phenomenological consideration of general characteristics and preliminary evaluations for the long-term material relocation and cooling phases gave the perspective that in-vessel retention would be attained with appropriate design measures.     

用无网格粒子混合法模拟氟里昂气泡的冷凝行为

采用无网格粒子混合法(MPS-MAFL)模拟氟里昂气泡在过冷液池中的冷凝现象,对同一气泡在不同过冷度下的冷凝行为进行敏感性分析,对气泡中含有不凝气体的情况进行分析研究.模拟结果表明:气泡冷凝开始后,冷凝会使气泡内的压力降低,气-液界面开始收缩;在冷凝后期,气泡内压力会超过环境压力;气泡破碎时会产生一个压力脉冲;气泡在一...     

钛中氦泡融合的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法模拟了金属钛中氦泡的融合,分析了氦泡融合对金属微结构的影响,对比了氦泡在金属块体内部与接近金属表面处融合的异同。研究表明:在金属块体内部,两氦泡的融合会在其周围诱发很多缺陷且范围逐渐扩大;直径均为1.77nm的两氦泡的融合会在二者周围形成位错环,位错环内金属原子的排列与基底的一致;两氦泡发生融合后由哑铃状向椭球形演化。在接近金属表面处,由氦泡融合诱发的缺陷易于向金属表面移动,氦泡周围的金属易于向晶体结构恢复;两氦泡发生融合后由哑铃状向半球形演化。     

钨中氦泡融合条件的分子动力学模拟研究

在托卡马克聚变装置中,钨偏滤器会受到低能高束流的氦等离子体冲刷,导致材料表面形成绒毛状纳米结构或针孔状表面损伤,使钨材料使用性能发生退化,影响等离子体的稳态运行。目前普遍认为,氦致表面损伤的形成与钨表面下氦泡的生长密切相关。钨受到氦等离子体辐照后会在材料的近表层形成高密度的小氦泡,它们可通过融合的方式长大,氦泡的融合是近表层大氦泡形成的关键环节。为了解氦泡的相对位置、温度、氦空位比(He/V)、氦泡初始间距对氦泡融合的影响,本文采用分子动力学方法模拟氦泡在金属钨中的融合过程。结果表明：氦泡的相对位置、温度、He/V、氦泡初始间距都会影响氦泡的融合,但影响的机理并不相同。其中,氦泡的相对位置是影响氦泡融合的关键因素,当氦泡沿〈100〉方向排列时,氦泡易发生融合,而沿 〈111〉方向排列则不易发生融合,其原因是氦泡附近存在各向异性的应力场。温度升高有利于氦泡体积得到更快、更充分的弛豫,进而促进氦泡发生融合。高He/V的氦泡具有较高的压力,更易发生融合。当温度为1 500 K时,2个He/V为3、半径为1 nm的氦泡之间的相互作用距离可达1.28 nm甚至更远,但它们发生融合的最大初始距离为0.96 nm。本研究可促进对钨中氦泡融合机理的理解,为钨中大氦泡的形成提供可能的解释。此外,本研究结果可为大尺度模拟（如动力学蒙特卡罗、团簇动力学）提供相关输入参数用于研究高密度氦泡的长时间演化。     

晃荡对气泡上升运动影响的数值研究

海洋条件中风浪等因素会导致船舶上存在自由液面的容器产生剧烈的晃荡运动。为了分析晃荡条件下液体中的气泡行为特性,在计算流体动力学软件Fluent平台下运用流体体积函数法模型,对晃荡条件下气泡在液体中的上升过程进行数值模拟。计算结果显示,晃荡条件下气泡呈周期性摆动上升,并伴随着聚合与分离现象。分析表明,晃荡对气泡运动行为特性产生的影响不可忽视,剧烈的晃荡运动会影响气泡的脱离尺寸,在加速部分气泡分离的同时阻碍部分气泡的运动而导致气泡聚合;晃荡运动还会致使气泡在水平方向偏离比较大的位移。