射频四极场加速器腔体多物理场分析

射频四极场(Radio Frequency Quadrupole,RFQ)加速器在大功率运行时会导致温度升高和热变形。针对其热稳定性的研究,在很多的多物理分析方法中,研究者将模型局限于二维RFQ截面或三维RFQ局部结构,忽略了冷却流体的流动运动。本文提出了一种结合计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)热流耦合的三维多物理场数值分析方法,包括电磁-流体-热-结构的多物理场耦合分析。基于实验工况,分析了3种(Standard、RNG、Realizable)k-ε湍流模型在同样工况下的换热效果,通过仿真结果与实验结果比较,验证方法的可行性和可靠性。选择合适的湍流模型,分析不同参数下腔体温度、结构和频率的变化规律。结果表明:应用CFD数值模拟方法可以较好的模拟RFQ加速器稳态传热状态,为未来加速器的结构优化、性能改进提供有效的数值模拟平台。     

螺旋管直流蒸汽发生器一、二次侧耦合传热特性分析

为获得螺旋管直流蒸汽发生器（HCOTSG）螺旋换热管内两相流动换热特征,以国际革新安全反应堆（IRIS）HCOTSG为研究对象建立了HCOTSG一、二次侧耦合热分析模型,分析了稳态工况下,不同二次侧给水流量对HCOTSG热工水力参数产生的影响,并将所建立的HCOTSG一、二次侧耦合热分析模型与计算流体力学软件（CFX）三维流动换热计算相结合,对HCOTSG稳态工况下螺旋管内精细的热工水力参数进行计算。通过HCOTSG一、二次侧耦合热分析模型计算得到HCOTSG稳态工作时沿管程的相关热工水力参数;通过CFX三维模拟发现螺旋管横截面流体流速和温度分布不均匀现象,得到螺旋内侧流体温度高于螺旋外侧,螺旋内侧流体速度低于螺旋外侧,螺旋内侧流体比螺旋外侧流体先开始沸腾的结论。因此,本研究对于HCOTSG稳态运行和螺旋换热管事故分析具有指导作用。      

高温气冷堆堆芯实时热工水力模型

为建立适用于球床式高温气冷堆核电厂的模拟机,采用一体化仿真支撑平台vPower建立高温气冷堆堆芯的实时热工水力模型,利用流体网络求解氦气流道的流量与压力分布及传热网络求解球床燃料区、石墨反射层区与碳砖区的温度分布,实现整个氦气流场与固相温度场的实时、耦合计算。模拟100%额定负荷和50%额定负荷2个稳态工况和入口温度阶跃和流量阶跃2个动态过程。稳态工况与设计参数的定量对比以及动态过程的定性分析表明,该模型具有较好的适用性。     

核电厂全范围模拟机流固换热耦合并行技术研究

基于RELAP5程序热工水力计算原理，研究热构件壁面温度及热流密度耦合并行技术在核电厂全范围模拟机中的应用。整体模型通过热构件壁面温度或热流密度拆分为两个模型耦合并行计算，计算结果分别与整体计算的结果进行对比。结果表明:在间壁式换热器的热构件模型中，热流密度作为耦合参数时计算结果不准确；壁面温度作为耦合参数时可以准确计算。将温度耦合技术用于典型四环路压水堆核电站蒸汽供应系统的仿真计算，计算结果表明:间壁式换热器的热构件模型的温度耦合并行计算能有效提高CPU利用效率和计算速度，为模拟机的实时计算提供更多的保障。      

光滑方环管内超临界水传热周向不均匀性数值分析

采用流-固耦合的方法,利用计算流体力学程序(CFX)软件,对方环管内超临界水传热特性进行数值模拟研究,得到方环管内加热管的温度分布,并对加热管温度分布的周向不均匀性进行分析评价.计算结果表明,方环管内加热管的外壁面温度的周向不均匀性高于内壁面,内壁面的温度周向不均匀性非常低,壁面周向平均温度满足一维导热公式.窄通道与角通道处流体先后通过拟临界区域,促使加热管外壁面温度的周向不均匀性随主流体比焓值的增加出现3个不同变化特征的区域.等壁面热流密度条件下,计算结果与等体积释热率条件有较大程度的不同.等体积释热率的假设与实际情况更加接近,说明实际情况下固体内部存在周向导热,促使周向温度分布更加均匀.     

石墨慢化通道式熔盐堆的稳态热工水力计算模型

针对石墨慢化通道式熔盐堆的堆芯结构,基于COMSOL Multiphysics程序和MATLAB程序建立了堆芯稳态热工水力学计算模型。该模型对堆芯内固体区域的温度分布采用三维热传导方程进行模拟,对通道内熔盐温度采用一维单相流体模型进行计算。固体区域与熔盐通过熔盐通道壁面的对流换热边界建立热耦合。该模型基于平行通道压力损失相等的原则,分配堆芯内各熔盐通道的流量。通过对比RELAP5程序的计算结果,验证了模型对温度和流量分配计算的正确性。针对2 MWt 液态燃料熔盐堆的一种概念设计,分析了堆芯内三维温度分布和通道间流量分配。该模型可精确计算通道式熔盐堆堆芯内稳态温度分布和流量分配,对堆芯的热工水力学设计具有重要意义。     

核反应堆堆内金属反射层旁流分析方法研究

金属反射层铁水比高,需要确定其旁流份额,从而优化其结构设计、并为金属反射层温度场计算提供输入。采用计算流体动力学分析(CFD)数值模拟,计算堆内构件金属反射层的旁流份额,并对计算结果进行分析评价,与基于经验公式的分析方法及实验结果进行了对比。通过分析比较得出:CFD数值计算可模拟复杂流道结构,反映流场特征,计算结果有效。     

外围熔盐层堵塞状态下熔盐堆内部温度分布分析

出于冷却结构材料上的考虑,石墨慢化通道型熔盐堆通常在石墨反射层与反应堆容器间设置了外围熔盐层。针对2 MW液态燃料熔盐堆的概念设计,利用三维稳态热工水力学模型分析了外围熔盐层在不同堵塞情况下对反射层和合金温升造成的影响。熔盐堆内石墨慢化材料等固体区域的温度计算采用三维热传导模型,各个通道内熔盐采用一维单相流体模型描述。外围熔盐层在不同堵塞情况下分别采用一维单相流体模型和三维层流模型。计算结果表明:在外围熔盐层内总流量降低的堵塞情况下,外围熔盐层对反射层的冷却效果受到显著影响,在外围熔盐层的流量降低至堆芯额定流量0.365%时,反应堆容器的最高温度接近730°C,临近合金材料温度上的安全限值;当外围熔盐层内存在直径为4 cm的圆形局部堵塞(接近下熔盐通道半径)区域时,堵塞没有显著改变堆内的温度分布,堵塞区域的最高温度为621.74°C,未超过合金材料的安全限值。     

基于CFD方法的行波堆19燃料棒束流固耦合传热特性研究

采用流固耦合传热方法对行波堆19燃料棒束流动及传热特性进行了研究。研究结果表明:出口区域燃料棒呈现出非对称和偏心温度分布特性;下游区域流体截面温度分布差别较大;包壳表面热流密度分布差别明显,螺旋绕肋结构具有局部强化换热的能力;出口区域发现了局部倒传热现象。该组件结构有待将来进一步借助流固耦合传热分析方法进行优化改进。     

压水堆燃料辐照性能多物理耦合并行分析程序开发

核燃料元件是反应堆的核心部件,其性能影响反应堆的安全性与经济性,利用燃料元件性能分析程序开展燃料堆内稳态辐照性能分析对于燃料设计及安全评价具有重要意义。通过开发燃料温度分布、变形计算、裂变气体释放及内压等模型,结合燃料元件热工-力学多物理耦合计算分析耦合方案,基于先进并行计算方法构建了高性能并行化燃料性能分析程序Athena。利用典型商用压水堆核电站数据及同类程序计算结果进行了程序初步验证,结果表明Athena程序计算结果合理可靠。通过定义堆芯功率及热工水力边界条件,程序能够并行开展压水堆全堆芯燃料辐照性能分析,提高燃料辐照性能分析效率,是数值反应堆原型系统（CVR1.0）的重要组成。