二维双区球流运动唯象方法的参数分析

为了研究摩擦系数和底部倾角对双区球流的运动影响,参照二维堆芯球流运动实验台架,采用离散单元法对双区球流运动进行数值模拟,并从唯象的角度对不同摩擦系数和底部倾角下双区的分布、中心区/交混区及滞留区等问题进行分析。结果表明:随着摩擦系数增大,球流动更加均匀,滞留区在一定范围内随之增大,交混区域有所减小。底部倾角越大,流动越均匀,滞留区和缓慢流动的区域越小。     

HTR-10堆芯球流运动的唯象学DEM模拟

清华大学研发的10 MW高温气冷堆（HTR-10）是国际上重要的先进实验反应堆,球流运动的研究具有基础性地位。通过唯象的方法对HTR-10堆芯的球流运动进行了离散元数值模拟,通过已由实验验证的计算程序,采用与HTR-10堆芯1∶1的计算模型,计算了27 000个元件单元的运动,包括不同摩擦系数f和不同底部锥角A下的球流运动。结果表明：在HTR-10堆芯设计条件下,球流运动较均匀,堆芯底部不存在滞留区;f越大或A越大,堆芯球流越均匀,表现出更好的整体性向下运动;当f达到0.8上限时,HTR-10堆芯球流依然保持了整体性运动,底部无任何被滞留的球。本工作对进一步优化球床式高温气冷堆堆芯设计具有重要意义。     

模块式球床反应堆内颗粒流动特性二维数值模拟

采用颗粒离散元方法(PDEM),对模块式球床反应堆内球形燃料元件循环流动的流动特性进行数值模拟,分析了反应堆堆芯内速度场、球体混合情况和球体摩擦系数、壁面摩擦系数对流动特性的影响.计算结果表明,在圆柱结构区域内,颗粒以稳定质量流形式向下移动,颗粒径向偏移很小无混合现象发生;在倒锥形区域,颗粒受器壁结构的影响而向中心会聚流动,颗粒径向偏移增大;颗粒摩擦系数和壁面摩擦系数对颗粒流动的轨迹和滞留时间均有影响,降低摩擦系数有利于均衡燃料球和石墨球的停留时间.     

二维双区球流运动唯象方法的数值模拟

为研究燃料球和慢化球呈双区分布的球床式高温气冷堆球流运动的规律,以二维双区球流运动实验台架为参照,采用离散单元法(DEM)进行数值模拟。从唯象的角度对模拟结果进行分析,研究了双区分布的形成过程、中心区、交混区与滞留区以及速度分布等问题。模拟结果表明：在当前模拟条件下,可形成稳定的中心区,中心区与环形区之间存在交混区,且存在滞留区。本体内越靠近底部卸料口,竖直方向速度分布越不均匀,水平方向的扩散越来越大。     

标志球法1m和2m本体二维球流运动特性分析与比较

为研究球床高度对球流运动特性的影响,根据相似准则的原理建立高温气冷堆二维堆芯的球流运动试验系统,利用标志球的实验方法对球流运动规律进行研究。对1 m和2 m本体球流运动的均值流线、内部流场、标志球的平均滞留时间,以及交混区的球流的分布特征和分布区域等进行比较分析。结果表明:二维流动均值流线是光滑对称的流线型,球床边缘和中心的流动相差很大,球床下部的流动不均匀性比上部不均匀性大;增大装球高度球流可以达到更大的分散程度。验证交混区球的高斯分布;标志球的运动区域具有两头小中间大的特点;2 m本体的球床下部的流动均匀性优于1 m本体。     

球床模块堆停堆后自然对流传热特性数值研究

对冷却流体在球床模块堆内燃料颗粒填充区域中的流动和传热过程进行了研究.数值模拟突然停堆后燃料颗粒区在温差作用下的自然对流过程,分析了瑞利数Ra对燃料填充区域内流场、温度场和局部努塞尔数Nu以及壁面摩擦阻力系数的影响.计算结果表明:当球床模块堆突然停堆时燃料填充区域可形成加热壁面流体上升流动、冷却壁面下降流动的自然循环流动;随着Ra数增大,回流中心向上移动;沿轴向壁面局部Nusselt数和摩擦阻力系数存在极值,并且极值点随Ra数增大而向上移动;与氮气相比,氦气作为冷却介质停堆后具有更均匀的堆芯轴向温度分布.     

球床式高温气冷堆球流及球床辐射的理论与实验研究进展

球床堆芯的球流及等效导热系数是直接影响球床式高温气冷堆设计、运行和安全的重要依据,具有重要的意义。清华大学核能与新能源技术研究院近年对球流和球床等效导热系数进行了实验测量、理论研究和数值模拟,全面深入地揭示了球流规律、球流纺及径向内扩散规律、球床几何优化、物性参数影响、球流流态表征及刻画、球床等效导热系数建模等。本文对此进行了回顾总结,并指出了下一步的研究方向。     

三维随机填充球床通道内流场数值分析

对三维随机堆积球床通道内单相水流动进行数值模拟,分析了通道内沿流动方向不同位置截面径向速度分布,以及不同流动状态对截面速度分布的影响。其中球体随机堆积几何模型采用离散单元方法构建,并通过搭桥法对球体间及球体与管壁间的接触问题进行处理。研究结果表明:使用搭桥法后对孔隙率影响可忽略不计;球床通道截面速度与孔隙率具有相似的径向分布规律;在同一流动状态下,从管壁沿径向方向,不同截面的速度分布一致性逐渐减弱;随Rep的增加,同一截面速度分布趋于均匀。     

超临界水四棒束传热数值分析

超临界水冷堆(SCWR)开发的关键是棒束内超临界水(SCW)的热工水力特性。本文针对超临界水四棒束流动传热实验进行CFD数值模拟,SSG湍流模型的计算结果与实验结果吻合良好。分析结果表明,流动方向对棒束截面内流量分布有显著影响。与下降流相比,尽管上升流时棒束间流动搅混较弱,但上升流时棒束截面流量及壁面周向温度分布更加均匀,加热棒壁面温度更低。可见,棒束横截面上的流量分布是影响加热棒壁面流动传热的主要因素。     

摇摆条件对矩形通道内泡状流摩阻特性影响

摇摆运动作为一种典型海洋条件,对管内的气液两相流动过程产生较大影响。本工作通过摇摆条件下空气 水泡状流在矩形通道内流动阻力特性的实验,研究摇摆运动对两相流动过程的影响。实验在常温、常压下进行,通道尺寸为40 mm×10 mm,摇摆角度为10°、15°和30°,摇摆周期为8、12和16 s。结果表明,摇摆条件下瞬态摩擦压降的变化具有明显周期性,随着两相雷诺数变大,瞬态摩阻系数的波动幅度和平均水平均变小;摇摆周期越小,摇摆振幅越大,即摇摆运动越剧烈,摩擦压降的波动幅度也越大。     

硅酸锂球床传热传质特性与吹扫气体流动的DEM-CFD耦合模拟

氦冷固态增殖包层是中国聚变工程实验堆（CFETR）的3种候选包层概念之一,氚增殖球床是包层的核心部件,采用硅酸锂颗粒作为氚增殖材料。球床结构对氚在球床内的输运行为及流动和传热均有重要影响。本文基于离散单元法（DEM）生成了满足氚增殖球床填充率要求的随机堆积结构,通过CFD计算获取了球床结构下氚在吹扫气体内的等效扩散系数及吹扫气体的流动特性,包括速度分布、压力分布及进出口压降;开展了外加热流及有内热源两种工况下球床等效导热系数的模拟。计算结果表明,球床结构下氚在吹扫气体内的等效扩散系数为二元气体扩散系数的40%;受球床结构影响,球床内存在流动迟滞区,壁面出现流动加速;拟合得到Ergun方程的黏性阻力系数C1=87;有内热源工况下的球床等效导热系数低于外加热流工况下的球床等效导热系数。     

Nuclear graphite friction properties and the influence of friction properties on the pebble bed

Recently, the role of friction and wear in the safety of pebble bed reactors was reconsidered. The friction properties of graphite were analyzed in this paper. In the first part of this paper, we investigated the past research of graphite and analyzed the influence of environment gas, temperature and radiation on friction coefficient. The variation laws of friction coefficient with the effect factors were given, especially in helium environment (including pure helium and HTGR helium). In the second part, the mechanical behavior of pebble bed is discussed while considering the influence of the friction properties of graphite. The results indicated that the fuel elements cannot be crushed failure even though the fuel elements have a large friction coefficient.     

Fluctuation and arching formation of very dense and slow pebble flow in a silo bed

Improved particle tracking velocimetry (improved PTV) is proposed for experimental study of very slow dense pebble flow in a silo bed by combining the relaxation method and Voronoï diagram. The improved PTV method is validated by comparison with DEM (discrete element method) simulation and experimental result. Velocity and fluctuation characteristics on different streamlines are investigated to show the macroscopic kinematics of pebble flow. Bulk arches on different locations of the pebble bed are identified. Two local arching characteristics including size distribution and horizontal span are analyzed, and their effects on whole flow regime are discussed. It is found that the arch size distribution follows second-order polynomial distribution in semi-logarithmic scale. The horizontal span of arches provides evidence for transition between the ordered and disordered regimes. The probability distribution of successive angles between the neighbors of arching particles is a good indicator of arch stability. The relation between arch breakdown and contact network change is demonstrated by correlation analysis. High correlation between arching structure and mean velocity in targeted regions is indicated. The characteristic lifetime of arches and autocorrelation time of fluctuation velocity present positive correlation. The bulk arching dynamics is the main reason for fluctuations of particle velocities.     

摇摆对矩形窄通道内单相水流动特性的影响

常温常压下,实验研究摇摆对矩形窄通道内单相水流动特性的影响。结果表明,驱动压头较低时,雷诺数及摩阻系数呈周期性波动,摇摆越剧烈,波动幅度越大;驱动压头较高时,雷诺数周期性波动不明显,摩阻系数波动幅度减小。出口通大气的实验段,摇摆振幅对摩阻系数波动幅值及波形均有影响,摇摆周期只影响摩阻系数波动幅值。摇摆运动对流动特性的影响随雷诺数的增加而减弱。摇摆对矩形窄通道内单相水平均摩阻特性没有明显影响。     

流量波动条件下圆管内流动换热特性数值研究

对流量波动条件下核动力装置系统圆管内流体的流动换热特性进行了数值研究,重点研究了波动周期、波动振幅两个因素对流动换热特性的影响。结果表明:流量波动时,通道内的摩阻系数和壁面换热系数均随时间周期性波动,且波动周期与流量波动周期相同;波动周期增加,摩阻系数波动幅值减小,壁面换热系数波动振幅变化不明显;相对振幅增加,摩阻系数波动幅值增大,壁面换热系数波动振幅增大。     

Mechanics of binary and polydisperse spherical pebble assembly

The micromechanical behavior of an assembly of binary and polydisperse spherical pebbles is studied using discrete element method (DEM) accounting for microscopic interactions between individual pebbles. A in-house DEM code has been used to simulate the assemblies consisting of different pebble diameters and the results of the simulations are compared with that of mono-size pebble assemblies. The effect of relative radii and volume fraction of the pebbles on the macroscopic stress–strain response is discussed. Furthermore, the effect of packing factor and coefficient of friction on the overall stress–strain behavior of the system is studied in detail. The shear (tangential) stiffness between the particles is also another influencing parameter. For a very small shear stiffness the system shows a strong dependence on the packing factor while a pebble material dependent shear stiffness shows a rather moderate dependence on the packing factor. For a similar packing factor, the mono-size assembly shows a stiff behavior during loading compared to binary assembly. However, the simulations do not show a significant difference between the two behaviors in contrast to the observations made in the experiments. The discrepancy can be attributed to (i) probable difference in packing factors for mono-size and binary assemblies in the experiments, (ii) arbitrary friction coefficient in the current model and (iii) the tangential interaction (constant shear stiffness) implemented in the present model which needs further modification as a function of the load history on the pebbles. Evolution of other micromechanical characteristics such as coordination number, contact force distribution and stored elastic energy of individual pebbles as a function of external load and system parameters is presented which can be used to estimate important macroscopic properties such as overall thermal conductivity and crushing resistance of the pebble beds.     

高温球床壁面区域有效导热系数模型优化

有效导热系数用来表征高温气冷球床堆堆芯综合传热能力,提高球床有效导热系数的预测精度对于高温气冷球床堆的热工设计和安全分析十分重要。为了优化球床壁面区域有效导热系数模型,本文针对无序石墨球床有效导热系数开展数值研究,分析了无序堆积球床主体区域、近壁面区域以及壁面区域有效导热系数的分布特性。结果表明：壁面区域有效导热系数相对于主体区域和近壁面区域显著降低,其平均降幅约为22%。因此引入了修正系数C_w对ZBS模型在壁面区域进行优化,对于球床主体区域及近壁面区域修正系数C_w=1,对于壁面区域,修正系数C_w=0.78。通过与前期无序球床实验数据和南非HTTU实验数据的对比,验证了优化后的ZBS模型能较好地预测球床壁面区域有效导热系数。