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。      

液态金属钠在圆管内传热特性数值模拟研究

为研究液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的湍流传热特性,在已有实验研究的基础上,提出了k-ε模型下的湍流普朗特数Pr_t模型,并使用Fluent程序对圆管内的液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性进行了计算。理论设计值与已有实验结果进行对比,二者符合较好。根据本文提出的Pr_t模型,可较为精确地计算液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性。     

三角形棒束内铅铋湍流普朗特数模型研究

为准确预测低普朗特数流体在燃料组件棒束子通道内的传热特性,需选取合适的湍流普朗特数模型。针对5种不同的湍流普朗特数模型,基于三角形棒束换热关联式,研究采用剪切应力传输（Shear Stress Transfer,SST）k-ω湍流模型,分析不同的棒束子通道结构,并与液态铅铋实验验证的换热关联式计算结果进行对比,分析不同棒径与节径比条件下各种湍流普朗特数模型的适用性。分析研究结果表明,整体湍流普朗特数模型不仅与雷诺数Re、贝克莱数Pe有关,还与节径比P/D有关;在节径比1.3～1.7范围内Kays学者提出的局部湍流普朗特数模型模拟结果与Mikityuk关系式计算值较为吻合;各种湍流普朗特数模型均有最佳的节径比适用范围。因此,相关模型能够用于不同节径比条件下三角形棒束子通道内铅铋传热特性的预测。     

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。     

旋向对螺旋管束内铅铋流动传热特性影响的数值模拟研究

螺旋管式直流蒸汽发生器（H-OTSG）被广泛应用于液态金属反应堆的设计中，其中相邻的径向螺旋管束可以布置为同一旋向或相反旋向，不同的旋向策略会影响到蒸汽发生器壳侧的流动行为。为探究不同旋向对螺旋管束中铅铋流动与传热特性的影响，采用剪切应力输运（SST k-ω）模型、湍流模型和Kays湍流普朗特数（Prt）模型对其进行数值模拟研究。首先通过现有液态金属横掠棒束实验对数值方法进行了验证；其次建立了同一旋向和交替旋向2种螺旋管束模型，比较了其传热和阻力的差异；最后从流场的角度对产生差异的原因进行了分析。结果表明，交替旋向的螺旋管束中的阻力和传热分别比同一旋向管束高7.1%和4.4%，这是因为交替旋向管束中的速度场更均匀且湍流交混更强。     

基于OpenFOAM的液态金属铅铋三维流动换热特性数值模拟研究

铅铋快堆是第4代核能系统的主要堆型之一,但由于液态金属铅铋的热物性与传统工质如水、空气等有很大不同,假设流动边界层与热边界层相似的雷诺比拟原理已不再适用。本文在开源程序OpenFOAM中开发了基于k-ε-k_θ-ε_θ四因子模型的自定义求解器,考虑热边界层与流动边界层的差异性,对带绕丝棒束通道中液态金属铅铋的流动换热现象进行数值模拟,得到了速度、温度等重要热工水力参数的三维分布,揭示了绕丝对冷却剂流动传热过程的影响规律,并将计算结果与经典实验关联式进行对比,结果符合良好,证明了所用模型和程序的正确性。本研究可为在OpenFOAM中添加新模型、开发自定义求解器以及开展针对液态金属流动换热问题的计算流体动力学（CFD）模拟提供参考。     

液态铅铋合金管内流动传热特性研究

为研究液态铅铋合金的流动传热特性,建立了相应的实验台架,并开展了传热特性试验,获得了1组针对液态铅铋合金的传热关系式。同时使用Fluent程序对圆管内铅铋合金的流动换热进行了模拟计算,以研究不同湍流普朗特数模型和不同湍流模型的选取对计算结果的影响。根据计算结果,探讨了不同湍流普朗特数模型对计算结果的影响,并得到了不同Peclet数下推荐使用的物理模型。     

铅铋合金环境中高强AlCrFeNi多主元合金的腐蚀行为

传统结构材料限制了铅铋核能系统性能的进一步提高，为给铅铋反应堆提供高性能结构材料，针对高强Al₁₇Cr₁₀Fe₃₇Ni₃₆多主元合金开展了高温静态铅铋合金环境相容性研究。研究表明，在500～600℃的铅铋饱和氧环境下，合金形成致密的Fe-Cr-Al-O氧化膜与疏松的氧化铁双层氧化膜结构，双层氧化膜厚度仅有1.5μm，氧化膜生长速率极低；Fe-Cr-Al-O氧化膜在高温铅铋环境具有极佳的致密性、结构与组织稳定性，显著保护了液态铅铋向基体溶解。相比于传统的铁素体/马氏体钢(F/M钢)、奥氏体不锈钢，Al₁₇Cr₁₀Fe₃₇Ni₃₆多主元合金在高温铅铋环境中应用具有明显的优势。     

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固化的动力学机理研究

为获得铅水反应过程中铅铋凝固的动力学机制，了解微观枝晶生长过程，通过分析铅铋熔液的自然对流及其对凝固前沿的影响，建立了枝晶间铅铋合金平均流动速度方程；采用通过相场法模拟了枝晶生长过程。结果表明，在2个方向的流场共同作用下，枝晶的快速生长区明显向来流方向倾斜。本研究可为铅铋凝固提供动力学机理分析，为铅基堆的安全运行提供理论基础。     

湍流模型对安全壳内氢气浓度场模拟的影响

利用计算流体力学程序FLUENT和GASFLOW研究了不同湍流模型下，氢气在安全壳内的传输与混合过程。计算结果表明：RNG k-ε模型能够得到较合理的结果，它能够较好的模拟氢气的质量扩散，动量扩散和湍流特征；FLUENT标准k-ε模型、标准k-ε模型和GASFLOW中k-ε模型能够在氢气浓度场分布上得到与RNGk-ε模型基本一致的结果，但由湍流导致的各种流动参数的波动不能在前三个模型中得到满意的模拟；GASFLOW中代数模型没能较好的模拟氢气的质量扩散和动量扩散，氢气的浓度场分布与其他模型的计算结果存在较大的差别。因此，选择合适的湍流模型，对于研究严重事故下安全壳内的氢气分布有重要的意义。     

基于扩散界面法的液态LBE中单个弹状气泡上升行为CFD研究

利用扩散界面法对液态铅铋合金中弹状气泡在垂直管中的上升过程进行数值模拟研究,用来验证扩散界面法在模拟液态铅铋合金(LBE)中弹状气泡上升行为的准确性和可行性,并对模拟结果进行进一步分析,来解释弹状气泡在LBE中的上升行为。数值模拟得到不同液体流速情况下弹状气泡在上升过程中的形态和速度变化,数值模拟结果与文献中的经验关系式以及实验中的结果都吻合良好,证明了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中弹状气泡上升行为的准确性和可行性,为液态金属和弹状气泡的两相流提供了一种新方法。对数值模拟结果进行进一步分析,发现气泡尾部形态变化较大,会在尾部两端分裂出子气泡,尾部附近流场产生旋涡,受到强烈干扰而出现湍流,对于提高换热效率起到积极作用。气泡上升对尾部区域产生影响的最远距离约80 mm,为连续气泡的注入提供了气泡间距参考值。     

铅铋螺旋管壳侧流动传热数值模拟研究

为研究铅铋螺旋管式直流蒸汽发生器（H-OTSG）壳侧的流动传热特性,提出了一种用于螺旋管束内铅铋流动传热特性的数值模拟方法。基于现有的相关实验数据,对不同湍流模型进行了验证,在验证数值模型可靠性的基础上,对铅铋H-OTSG壳侧进行数值模拟,以分析流速和螺旋升角对其传热和阻力特性的影响。结果表明,H-OTSG壳侧流动阻力和换热均随流速和螺旋升角的增大而增强。流速增大会显著增强流场均匀性,螺旋升角增大会影响涡旋分布并加强交混。本研究为铅铋螺旋管流动传热特性研究和设计优化提供参考。     

中国铅基研究实验堆主容器初步地震响应分析

中国铅基研究实验堆(CLEAR-Ⅰ)为铅铋合金冷却的一体化池式结构,地震情况下高密度液态铅铋晃动引起的流固耦合效应会对主容器结构产生影响。本文基于双向流固耦合方法,在ANSYS Workbench仿真环境下计算了CLEAR-Ⅰ主容器对典型地震激励的响应,得到了层流模型(None(laminar))和k-ε模型(k-Epsilon)下结构的位移响应与应力响应。结果表明,考虑地震载荷和铅铋合金重量的情况下,CLEAR-Ⅰ主容器抗震设计性能良好,能够维持结构的完整性。     

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。     

铅基快堆SGTR事故下热工水力模拟及气腔扩散行为研究

本文针对铅基快堆蒸汽发生器传热管破裂(SGTR)事故,利用计算流体力学(CFD)程序对LIFUS5/MOD2台架的汽水注射进液态金属铅铋环境进行研究。研究了3种热工水力现象：铅铋环境压力上升与压力波传递,铅池液位波动和气泡夹带与铅池液位上升和蒸汽扩散。研究结果表明：CFD模型在模拟SGTR事故的压力变化和压力波传递方面具有很小的计算误差;压力波峰值会随着水侧背压的升高而增大,且局部的蒸汽腔压力会低于附近的铅池压力,抑制蒸汽爆炸发生;同时事故引起的铅铋液位上升既会引起小尺寸气泡的输运夹带,也会对铅铋环境结构件造成冲击。     

铅铋堆蒸汽发生器传热管破裂事故三维程序开发及验证

蒸汽发生器（SG）传热管破裂事故（SGTR）是铅铋堆设计必须重点考虑的安全问题之一。针对铅铋堆SGTR，为解决其复杂结构环境中压力波的三维传播与蒸汽的三维迁移难题，基于多相流欧拉流体动力学理论，开展了“铅铋-水”相互作用三维数值模型与算法研究，研制了专用程序，并采用实验对比和程序对比技术手段进行了程序验证，验证结果符合较好。研究结果表明：对于描述铅铋堆SGTR过程中“铅铋-水”相互作用行为，本文采用的相关数值理论与模型具有较好的适用性；对于研究复杂结构环境下铅铋堆SGTR的三维演化现象，包括压力波传播、蒸汽迁移，本文所开发的三维程序具有重要的潜在应用价值。本文研究成果有望为我国铅铋堆SGTR分析提供有力支撑。     

铅铋冷却快堆含绕丝燃料组件子通道程序开发与验证

由于铅铋冷却剂流动传热现象的复杂性,准确计算铅铋冷却含绕丝燃料组件的冷却剂和包壳温度是液态金属冷却快堆燃料组件热工分析的重点。本文基于集总参数法对守恒方程进行求解,开发了适用于铅铋冷却快堆的子通道分析程序,对液态铅铋在棒束燃料组件中的摩擦阻力模型、湍流交混模型和对流换热模型进行了适用性分析,并对7棒束大涡模拟和19棒束含绕丝传热实验进行了对比验证。结果表明：包壳和冷却剂温度的最大相对误差低于5%。程序能较好完成铅铋冷却含绕丝燃料组件的热工水力计算,可为铅铋冷却快堆设计提供支持。     

水和液态铅-铋的自然循环流动相似性研究

自然循环铅-铋冷却反应堆是反应堆发展的重要方向,掌握铅-铋自然循环流动特性是发展自然循环铅-铋冷却反应堆的关键,实验模化相似性研究是其中进行的最广泛的方法之一。本文以相似理论为基础,采用理论推导研究和数值模拟相结合的方式探究用水来模拟铅-铋流动特性的可能性。最终结果显示在稳态工况和瞬态工况下,用水模拟铅-铋的流动特性都是可以实现的。