参数化流动传热问题的模型降阶方法研究

高精度的数值模型是构建反应堆堆芯数字孪生的基础,但传统的高分辨率数值模型的计算效率无法满足数字孪生的需求。为显著提高计算效率,综合利用伽辽金投影法和径向基函数插值法构造了参数化流动传热问题的降阶模型。该模型以典型的数值解作为学习样本,通过本征正交分解获得各物理场分布的主模态作为缩减基,然后将控制方程在缩减基张成的空间上进行投影以获得自由度个数显著降低的降阶模型。螺旋十字型燃料冷却剂的测试算例表明,相较于全阶模型,该降阶模型可实现高达3~4个数量级的加速效果,降阶模型的速度场与压力场的相对误差均小于10%。

粉煤灰混凝土强度的优化设计

综合利用主成分降维技术、人工神经网络技术和遗传算法技术 ,在粉煤灰高强混凝土的强度和三个影响因素之间建立神经网络模型 ,然后应用遗传算法搜索最高抗压强度和相应配方 .结果表明 ,优化算法在分析合理选择的样本数据 ,总结其中的数值规律 ,进而对材料进行优化设计方面 。

粉煤灰混凝土强度优化设计

综合利用主成份降维技术、人工神经网络技术和遗传算法技术 ,在粉煤灰高强混凝土的强度和 3个影响因素之间建立神经网络模型 ,然后应用遗传算法搜索最高抗压强度和相应的配方 .结果表明 :现代优化算法在分析已有实验数据、总结其中的数值规律、进而对材料进行优化设计等方面 。

现代优化计算方法在材料最优化设计中的应用

简要介绍三种现代优化算法 ,综合利用主成分降维技术、人工神经网络技术和遗传算法技术 ,在V PTC材料介电性能和五个影响因素之间建立神经网络模型 ,然后应用遗传算法搜索最高电阻值和相应的配方。结果表明 :现代优化算法在分析合理选择的样本数据 ,总结其中的数值规律 ,进而对材料性能进行优化设计方面 ,具有重要的应用价值。

苎麻落麻纤维增强聚合物复合材料研究

研究了苎麻落麻纤维的基本性能,及其增强酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂复合材料的制备工艺和力学性能,并与黄麻纤维布复合材料和玻璃布复合材料性能进行了比较。同时,初步探讨了麻纤维复合材料的应用。

黄麻纤维增强聚合物复合材料工艺与性能研究

本文研究了黄麻纤维的基本性能和黄麻有捻纤维束、黄麻布增强环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂复合材料的复合工艺和力学性能 ,并与玻璃纤维复合材料进行了比较 ,并初步探讨了麻纤维复合材料的应用。

冲击条件下泡沫铝的细观变形特征分析

利用SHPB-高速摄影机系统,拍摄到了泡沫铝细观结构在SHPB冲击过程中的变形,分析了试件的应变分布及破坏模式。研究表明,泡沫铝试件在SHPB冲击过程中应变分布是不均匀的,试件两端的应变和应变率远大于中间部分的应变和应变率,即在SHPB实验过程中泡沫铝试件不能严格满足均匀性变形假定。因此,需要考虑对用SHPB方法测量泡沫金属动态力学性能方法进行必要的修正。

新型高性能修补材料

简要叙述了常用修补材料的缺点,介绍了一种高性能混凝土(砂浆)补强材料的配方特点及作用机理。该材料粘结抗剪强度为3.5MPa,混凝土或砂浆3天抗压强度大于40MPa,7天抗渗标号大于2.0MPa,25次冻融循环后强度不降低。可用于民用建筑结构、水工建筑坝体结构的破损修补及建筑物的内外墙面装饰粘贴等方面。

压水堆燃料棒三维热-力学性能的精细模拟

压水堆燃料棒工作在复杂的辐照、热和力学环境中,对其性能进行定量评估涉及多种复杂的物理现象。目前常用的燃料性能分析程序一般对结构采用简化的轴对称假设,对辐照肿胀、辐照蠕变和高温蠕变等物理现象以及辐照-热-力等物理场之间的耦合考虑并不充分。基于ABAQUS有限元求解框架,开发了压水堆燃料棒三维热-力学性能的模拟程序,利用程序对压水堆燃料棒进行了稳态分析,以及升功率和反应性引入事故两种瞬态分析。结果表明:辐照引起燃料致密化和肿胀对燃料温度变化有重要影响;芯块应变增加主要是由裂变产物肿胀引起的;芯块几何结构导致包壳应力集中发生在芯块间的交界面处;燃料棒功率的急剧变化会加快芯块表面破裂的进程;反应性引入事故会导致芯块从内部开始破裂,并会引发芯块-包壳的接触。

基于剪切修正GTN模型的金属弹性退化机理研究

许多金属材料在进行显微或宏观压入测试时,测得的弹性模量会随着压入深度的增大而不断降低.考虑到在压痕测试过程中金属材料并不产生明显的裂纹,这种性能退化应是由材料的损伤引起.然而,经典损伤理论认为以受压和受剪为主的压入变形不会引起材料软化和损伤.本文结合剪切变形下材料损伤的萌生和演化机理,对经典的GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型进行了修正,对压入测试进行了有限元模拟.模拟结果显示,材料在压入过程中的损伤是由现有空洞的扭曲变形和次级空洞的萌生共同引起,如果只考虑现有空洞变形则会低估材料在压入变形过程中的损伤演变.

FCM燃料热-力耦合行为仿真建模和计算方法

为评估全陶瓷微封装(fully ceramic micro-encapsulated,FCM)核燃料的性能,研究由三层各向同性碳包覆(tri-structural isotropic,TRISO)燃料颗粒弥散于碳化硅(SiC)基体形成的柱状芯块的填充算法,开发相应的微观结构生成程序,利用并行有限元法对FCM核燃料的热-力耦合行为进行初步分析。结果表明,基于等球Packing的TRISO燃料颗粒填充算法可以快速生成高体积比的FCM燃料结构,基于共轭梯度迭代的隐式有限元法在求解大规模热-力学耦合问题时具有较高的效率和稳健性。本文方法可用于该核燃料每个颗粒和基体内部温度与应力分布的详细计算。

对小型安全壳喷淋试验的CFD模拟研究

发展核能是解决能源危机的重要方法,但是核电站严重事故给公众带来的严重后果,让人们产生畏惧。对安全壳内高温高压气体进行喷淋是缓解严重事故的发展而不产生其它影响的重要方法。利用法国放射性防护机构做的TOSQAN(Tonus Qualification ANalytique)试验,对该试验用CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体力学)软件中的FLUENT软件,采用欧拉-欧拉方法的VOF(Volume of Fluid)模型和标准湍流模型,通过编写UDF(User Defined Function)函数,对三维喷淋模型进行模拟仿真,将TOSQAN试验结果与CFD软件模拟结果进行比较,两者吻合较好,证明该软件能模拟严重事故下的安全壳的喷淋系统,对核安全的研究有重要意义。

2000t×87m门式起重机有限元分析

对跨度为87m2000t门式起重机建立三维有限元模型,对一种典型工况下的强度、刚度、稳定性、刚柔腿行走机构小车轮压进行分析计算并校核。对关键部位的强度、刚度和安全性做出评估,保证其使用安全性。

核事故污染物大气扩散的三维近实时模拟方法研究

当核电站发生放射性物质泄漏事故时,及时地预报污染物的分布和浓度将为制定应急预案提供重要的技术支撑。求解污染物在大气中运输和扩散模拟时,虽边界条件、源项及其他物理参数可能会发生变化,但控制方程的数学形式不变。本文采用了缩减基有限元方法将这些变化的条件视为参数,利用少数具有代表性的经典有限元解构造了解空间的基函数,最后采用了仿射分解将系统拆分为参数有关部分和参数无关部分,大幅降低了系统矩阵和载荷向量的组装难度。实验结果表明,在线阶段的求解速度提高3个数量级左右,因此该方法可用于污染物扩散的近实时模拟。

快速求解参数化偏微分方程的缩减基有限元方法及其在核工程中的应用

基于求解偏微分方程的高保真数值模拟已经广泛应用于科学研究和工程设计.然而,即使借助超级计算机的并行计算能力,经典的有限元方法和其它数值方法在面对需要多次求解或需要快速甚至实时求解的问题时仍然面临效率的挑战.针对可用参数化微分方程表示的问题,缩减基有限元方法利用少数代表性的经典有限元解构造基函数,同时通过仿射分解使得系统矩阵和载荷向量的组装变为简单的代数叠加,因此该方法可以大幅度地提高这类问题的求解效率.本文介绍了这种方法的原理,并以固体热传导和中子扩散的快速求解为例,展示了这种方法的优良特性.结果表明,在线阶段的求解效率可以实现两到三个数量级的提升.基于高保真模拟的缩减基模型是将高性能计算应用于工程优化设计、应急指挥以及复杂问题的反分析等工作的有效手段.

参数化高保真模型的快速求解方法

基于求解偏微分方程的高保真数值模拟已成为核能创新研究的重要手段.然而,即使借助超级计算机,经典的高分辨率数值方法在处理需要多次求解或需要快速甚至实时求解的问题时仍然面临效率的挑战,模型降阶是求解这类问题的有效手段.针对参数化热-力耦合和参数化流动这两类核工程的基本问题,本文分别归纳和推导了利用缩减基有限元方法和本征正交分解-伽辽金投影方法求解耦合问题和非线性问题的原理和步骤,并通过T型管接头的热应力分布和后台阶流动两个典型算例对建立的降阶模型进行了验证.结果表明,在保证精度的前提下,在线阶段降阶模型的计算效率提升了3–5个数量级.高精度、高效率的模型降阶方法将是数值反应堆技术走向工程应用的重要技术手段.

缩减基有限元方法快速求解参数化偏微分方程

针对可用参数化微分方程表示的问题,缩减基有限元方法利用典型参数的高精度解构造基函数,可大幅度降低待求问题的自由度.以固体热传导和中子扩散的快速求解为例,展示该方法的优良特性.结果表明：在线阶段的求解效率可以实现两到三个数量级的提升.基于高保真模拟的缩减基模型可使高性能计算有效地应用于工程优化设计、应急指挥及复杂问题的反分析等.

压水堆材料与结构中的关键力学问题

积极发展核电是保持我国能源安全的重大战略.核材料在高温、辐照和化学腐蚀环境下的力学性能及其退化决定着关键核结构和核设备的性能及寿命,进而决定了整个反应堆及核电厂的经济性与安全性.由于尚未完全掌握核材料和核结构在复杂环境下的力学行为特性,目前仍难以定量地回答涉及反应堆设计、建造、运行、维护以及退役等阶段的诸多问题.为对其中的关键力学问题进行梳理,本文首先从原理上介绍了辐照效应,然后以主流的压水堆为研究对象,按承受辐照作用和化学作用从强到弱的顺序,依次介绍核燃料、反应堆堆内构件以及反应堆安全壳等关键核结构在设计和性能分析方面的研究现状以及面临的挑战.为便于应用和参考,对燃料材料的本构模型、结构材料的应力腐蚀模型、流固耦合问题的数值求解方法以及核电设备强度评估准则等典型结果进行了归纳和总结.最后对压水堆实施全生命周期管理亟需突破的难题进行了总结.在数值模拟方面需要突破的瓶颈是核材料力学行为的多尺度模拟方法,在实验研究方面需要突破的瓶颈是新型、高效的辐照实验技术.