基于数据同化的棒束流场湍流模型常数标定方法研究

为了提升压水堆棒束燃料组件内二次流预测精度,采用基于集合卡尔曼滤波算法的数据同化策略对非线性涡粘模型的关键模型系数进行标定。为了提升数据同化策略的收敛速度,降低模型常数的收敛残差,采用基于模型常数敏感性分析的定向抽样和基于空间相关长度的局部修正等方法,改进了数据同化策略和集合卡尔曼滤波算法。本文基于改进的数据同化策略,利用5×5棒束通道定位格架下游流场实验观测数据,标定了非线性涡粘模型。研究结果表明,与标准非线性涡粘模型相比,标定后的非线性涡粘模型对棒束通道定位格架下游二次流的预测精度显著提高,成功预测了标准模型常数未能准确预测的横截面涡结构。

基于神经网络的热管反应堆多物理场耦合快速预测

本文基于热管反应堆多物理场耦合分析框架,提出了一种基于数据驱动型神经网络构建的快速预测方案。该方案利用神经网络部分代替分析框架中的数值计算模块,实现核-热-力多物理场耦合迭代过程的高效求解。以Megapower作为分析对象,搭建了相应的神经网络模型构建快速预测方案并对其进行相关参数的预测,与传统数值计算方法对比。快速预测产生的关键参数和数值计算的结果差异很小,其中,最大应力差值不超过2 MPa,燃料平均温度差值不超过3 K。相同计算环境中,相比于数值计算需要6 h的计算时间,快速预测仅需4 min,计算时间降低了95%以上。基于上述结果,认为基于神经网络的快速预测方案具有准确性高、速度快的特点。配合其灵活性及对训练数据量要求低、可针对性的优化模型等特点,认为基于神经网络的快速预测方案是应对堆芯优化等大规模计算需求场景的优选方案。

秦山二期核电站氢气风险的CFD研究

利用计算流体力学(CFD)程序GASFLOW模拟了波动管大破口事故发生后7000s内装有22台氢气复合器的秦山二期核电站安全壳内的水蒸汽及氢气行为,得到了不同阶段的特征性流场及氢气浓度的分层情况,给出了所采用的复合器布置方案的稳定消氢速率为20g/s,并指出了破口所在蒸汽发生器隔间内发生氢气燃烧火焰加速的可能性。同时,计算结果表明,安全壳内构筑物吸热带走了大部分从一回路释放的热量;压力变化同时受气体总质量(主要是水蒸汽质量)与温度的控制。

高压安注条件下冷管段和环腔流体混合特性的数值分析

压水堆高压安注条件下冷热流体混合会导致承压热冲击现象,影响压力容器的使用寿命。本文基于ROCOM实验装置的实验数据,使用CFD方法对高压安注条件下有密度差的冷热流体混合现象进行了模拟,并对模拟结果进行了验证与分析。结果表明,在冷管段和下降段环腔中流体混合的主导因素分别为强迫流动混合和浮升力驱动混合。在仅有1条冷管段注入的情况下,进入下腔室的流体会再次回流至环腔,从而对冷却剂的混合特性产生影响。

基于多孔介质和等效热导率模型的快堆乏燃料组件传热特性数值分析

乏燃料组件在运输或转运过程中,组件会裸露在传热较差的气体介质内,需关注其散热性能。为模拟乏燃料组件的传热特性,采用多孔介质模型模拟组件的流动阻力,并利用等效热导率模型模拟组件内部的传热。由于自然对流条件下乏燃料组件内部流动符合层流假设,在多孔介质阻力模型中忽略了惯性力项的作用。将等效热导率模型的模拟结果与SNL-LMFBR实验结果进行对比,证明了该模拟方法的有效性。计算结果表明,在水平放置工况下乏燃料组件温度轴向呈对称分布,在竖直放置工况下轴向呈非对称分布,乏燃料组件的高温区域向组件上方偏移。

基于激光多普勒测量的6×6棒束间湍流流动研究

采用3D激光多普勒测速装置研究了6×6棒束间的流场分布。实验选择了5种工况进行研究,雷诺数范围为6.6×103~7.03×104。其中6×6棒束试验段几何结构模拟相邻组件的布置方式。实验设置两种测量模式,第1种模式选择从试验段侧边测量,获得了距定位格架不同位置处的轴向速度和湍流强度的分布;第2种测量模式选择从试验段出口端面进行测量,获得了出口截面子通道间的三维速度和雷诺应力分布。通过对比不同雷诺数下的实验结果,分析了雷诺数对此次6×6棒束实验的影响。比较发现在雷诺数为6.6×103的情况下,存在低雷诺数效应。

泡核沸腾两相CFD模拟的参数敏感性分析与模型验证

预测偏离泡核沸腾(DNB)型的临界热流密度(CHF)是压水堆热工水力分析的重要内容。基于计算流体力学(CFD)方法预测CHF需要准确预测空泡份额在截面上(尤其是壁面附近)的分布。本文使用商用CFD程序STAR-CCM+对泡核沸腾状态下DEBORA竖直上升流均匀加热圆管实验进行模拟。经过敏感性分析,找出对空泡份额、气体速度、液体温度和气泡直径四个物理量的径向分布以及轴向壁面温度分布有显著影响的模型参数。基于一组实验数据,通过调整关键模型参数重新标定了相间作用模型,并将标定过的计算模型应用到其他工况验证其适用性,得到了较好的结果。本研究为后续将两相CFD计算应用于DNB型CHF的预测打下了基础。

基于组件计算的燃耗实验基准题建模分析

组件计算在堆芯核设计中占有重要地位。组件程序的燃耗计算精度对核反应堆堆芯的功率分布、换料寿期及反应性控制设计方面具有重要意义。为了评估用于堆芯燃耗计算的多群常数库的准确性,本文运用DRAGON计算程序建立了燃耗实验计算模型,采用SFCOMPO-2.0燃耗实验基准题提供的乏燃料样品燃耗历史参数及最终核素组分信息,对Takahama-3反应堆、H.B.Robinson-2反应堆及Beznau-1反应堆系列样品进行了建模计算,并将计算结果与SFCOMPO-2.0数据库中的基准实验结果进行了对比和分析。结果表明:多数核素的模拟结果与基准值符合良好,误差在10%以内。同时本文对理论计算值与基准实验值存在差异较大的几种核素进行了相应讨论,并对样品计算结果进行了对比分析。

基于非均匀变分节块法的pin-by-pin计算加速算法研究

计算效率是制约pin-by-pin计算工程应用的主要因素之一。本文利用三维扩散的非均匀变分节块法的非均匀节块的描述能力,在不改变原问题栅元均匀化材料分布的前提下,将传统pin-by-pin计算中使用的均匀材料细网剖分方式替代为非均匀材料粗网剖分方式(粗网加速方法),既能保证pin-by-pin的计算分辨率,又能显著降低红-黑迭代所需的浮点数操作数目,减小内迭代的计算代价。针对外迭代,运用广义矩阵分离加速(GPM)算法和粗网有限差分(CMFD)算法提高源迭代的收敛速度,降低计算时间。数值结果表明,提出的加速算法能在保证计算精度的前提下,有效提高pin-by-pin计算的效率。

棒束单相流动CFD的不确定性量化研究

核燃料组件是核反应堆的核心部件,其最常见的几何结构为棒束结构,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)作为一种辅助工具正大量地用于棒束的流动分析之中,但是国内外尚无统一的最佳实践方法,CFD模拟结果可信度存在争议。另外由于现在的CFD分析均是基于确定性的几何条件以及边界条件下进行,在真实的物理条件下存在大量的不确定性,这些不确定性会对模拟结果的可信度带来挑战。传统的不确定分析方法如蒙特卡罗抽样,因其巨量的计算不适用于CFD的不确定性分析。本文通过对网格、湍流模型以及壁面处理的分析,总结出棒束单相CFD的最佳实践方法,在此基础上,利用敏感性系数法着重分析壁面函数中?的不确定性对预测压降的影响,结果显示:压降预测不确定性为96.11 Pa。

7棒束超临界氟利昂流体流动传热数值分析

超临界水冷堆相对目前压水堆具设备简化、热效率高等显著优点,而相关实验研究公开资料受到研究成本和实验技术限制相当有限,数值分析在超临界流动传热方面的应用逐渐广泛却缺乏相应的实验数据验证。在7棒束内超临界氟利昂流体流动传热实验的基础上,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件STAR-CCM+、子通道软件COBRA-SC分别对三种典型工况的流动传热进行数值分析。对壁面温度的预测结果表明,流体温度低于拟临界点条件下,STAR-CCM+的计算结果低于实验值,温度误差在8%内;流体温度高于拟临界点条件下,STAR-CCM+的计算结果高于实验值,温度差值在16%内。改造后的COBRA-SC程序计算得到的典型通道流体温度与STAR-CCM+结果一致,且COBRA-SC的计算对壁面温度做出了十分接近于实验值的预测。研究表明,STARCCM+和COBRA-SC均能对棒束内超临界流体流动传热做出了较好的趋势预测,但对于流体温度跨越拟临界点温度条件下的模型需要进一步完善。

定位格架下游湍流特性测量研究

在子通道雷诺数为6600、13200、26400和39600下,使用粒子成像测速仪对5×5棒束分流型交混翼定位格架下游横向和纵向流动进行测量。平均速度和湍流脉动速度均方根的实验结果最大不确定度低于1%的主流平均速度。格架下游二次流结构经历了交混翼脱落涡结构耗散、剪切产生双涡结构、双涡结构向单涡结构的转变及单涡结构沿程衰减过程,横向平均速度和湍流脉动速度均方根沿程变化均受涡结构演进影响。格架近场湍流统计量迅速衰减;格架远场湍流统计量缓慢衰减,流动趋于光棒束充分发展流动。横向流动受雷诺数效应和格架交混效应共同影响。

基于CMFD模拟的圆管内DNB型CHF预测

偏离泡核沸腾(DNB)型临界热流密度(CHF)的预测是压水反应堆热工水力分析的一项重要内容。本文使用商用CFD软件STAR-CCM+,采用欧拉两流体模型,模拟了16 MPa下在不同出口平衡含气率、不同进口流速下圆管内水的核态沸腾,并基于Weisman-Pei气泡雍塞模型预测CHF值。通过与查询表值进行比较,发现过冷工况下,本文采用的模型组合得到的CHF预测值与查表值差别在10%之内,两者吻合良好;但是在饱和工况下,计算值较查表值偏差比较大。针对饱和条件下的偏离泡核沸腾预测,本文的模型仍有待改进。

矩形窄缝通道入口堵流的PIV实验研究

板式燃料元件堆芯结构紧凑,传热效率高,但燃料板间窄缝通道易发生堵塞事故,造成局部传热欠佳。针对矩形窄缝通道入口堵流,利用粒子图像测速技术(PIV)开展常温常压不同雷诺数下(2400~9600)25%堵塞份额的流场测量实验。分析堵塞体下游时均速度场、涡量场、脉动速度场,探讨入口堵流对窄缝通道内流场特性的影响和雷诺数效应。研究发现,入口堵流下游流场可分为主流区、剪切层、回流区、低速区、再附区、恢复区。与主流区相比,其他区域流速低,剪切流动在回流区内产生一对漩涡,再附区后流动逐渐趋向于稳定,高湍流脉动速度与高雷诺剪切应力主要分布于剪切层和漩涡中,流动雷诺数效应显著,随着雷诺数增大,回流区、低速区高湍流强度区域面积增大,再附区、再发展区向下游移动。

汽膜对熔滴水力学碎化影响的数值模拟

在熔融物与冷却剂相互作用(FCI)过程中,熔滴的水力学碎化对于后续是否产生蒸汽爆炸以及爆炸的强弱程度有着重要影响。传统的熔滴水力学碎化数值研究通常只考虑液液直接接触的两相系统;而堆芯熔化后,熔融物温度在2 500K以上,熔融物周围会迅速产生汽膜,导致熔滴和冷却剂之间的传热和阻力特性发生改变。本文基于PLIC-VOF(piecewise linear interface construction-volume of fluid)界面跟踪方法对有汽膜存在的三相系统中的熔滴水力学碎化过程进行了数值研究,通过分析熔滴在有无汽膜和不同边界速度触发情况下碎化过程中的界面特性,发现熔滴碎化程度随Weber数的增加而加剧,汽膜对熔滴的水力学碎化存在一定的抑制作用。

多维熔融物与冷却剂相互作用分析程序COSMETRIC的开发与验证

基于MCBA-SIMPLE算法开发了自主化的多维熔融物与冷却剂相互作用分析程序COSMETRIC。为验证该程序,针对熔融物与冷却剂相互作用实验KROTOS的典型工况进行了模拟计算。通过与KROTOS37实验结果对比,验证了程序模拟高温熔融物与冷却剂混合过程中熔融物液柱碎化、熔融物液滴迁移以及冷却剂蒸发的能力;通过与KROTOS21实验结果对比,验证了程序对蒸汽爆炸压力脉冲峰值及传播速度预测的合理性。在此基础上,对KROTOS21爆炸工况计算的初始空泡份额、熔滴水力学碎化无量纲时间和熔融物碎片初始直径等参数进行了敏感性分析,评估了这些参数对最终压力脉冲的影响。敏感性分析结果发现,较大的初始空泡份额会抑制压力峰值和传播速度;增大熔融物碎片初始直径和水力学碎化无量纲时间,会提升压力波传播速度,降低压力峰值。

六角形节块中子输运计算程序快速求解策略初步研究

计算时间与计算精度是衡量中子输运方法应用的重要指标,针对如何在保证计算精度的前提下减少计算时间开销问题,本研究提出一种基于六角形节块中子输运计算程序的快速求解方法。采用60°周期性对称边界条件求解1/6堆芯,并对1/6堆芯进行并行计算。考虑到不同能群和节块所对应的响应矩阵间存在天然的脱耦性,以及响应矩阵方程求解时非重叠空间区域间可并行性,开发了基于MPI(Message Passing Interface)的响应矩阵构造及矩阵方程求解的并行程序。在并行情况下,针对TAKEDA4基准题开展了校核计算。结果表明:60°周期性对称边界条件和并行计算功能,能够在保证相同计算精度的前提下大大提升计算效率,验证了快速求解策略的正确性。相比于全堆芯串行计算,在9个计算核心数目下,1/6堆芯总计算时间开销在P1、P3、P5下分别可约降低了1/26、1/25、1/22,初步实现六角形节块的快速求解。

基于多表面封闭系统网络法的钠冷快堆乏燃料组件内部传热数值分析

钠冷快堆乏燃料组件在转运过程中会暴露在气体环境中,散热性能明显下降。为预测乏燃料组件在气体环境中的温度分布,特别是避免燃料组件包壳最高温度超过设计限值,本文建立了基于多表面封闭系统网络法的数值模型,以此为基础开发了数值分析程序。通过与37棒束模拟组件实验数据的对比,验证了程序的可靠性。通过与Manteufel-Todreas双层模型预测结果的比较,证明了程序更具有保守性。另外,比较了均匀与非均匀加热两种情况下的温度分布,分析了加热功率、表面发射率对温度的影响。

棒束燃料组件横流的远心PIV测量方法

压水堆棒束燃料组件通常在定位格架上设有搅混翼片,以促进横向搅混。因而,定位格架下游的横流是评判格架性能的重要依据。针对定位格架下游横流可视化测量的挑战,为粒子图像测速(Particle ImageVelocimetry,PIV)系统设计了远心光路,有效地降低了图像的畸变。此外,针对粒子图像测速对光强均匀度的要求,在测量区域采用了氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated Ethylene Propylene,FEP)管作为实验工质水的折射率补偿材料,消除了由于固体材料折射率过大导致的类似凸透镜的聚光效果。通过标定实验及流场测量实验证明,该测量方法能够获取5×5棒束格架下游完整截面的横向流速及漩涡结构。实验观测发现:在5Dh位置翼片搅混导致的横向流场依然很强烈,其强度会随着距离的增加而逐渐减弱。

单气泡生长的高速激光干涉可视化研究

为研究过冷沸腾中气泡的生成机理并为壁面沸腾模型的建立提供数据支撑,本研究采用透光的氧化铟锡(ITO)薄膜作为加热材料,使用激光干涉法和高速相机对池沸腾中单气泡的生长过程进行同步测量,获取了气泡底部微液层的结构和变化过程,同时得到气泡干斑直径、气泡直径等相关参数。研究结果表明,气泡生长过程可分为底部存在微液层的生长阶段和底部完全蒸干后的脱离阶段两部分,两阶段的时长大致相当。在生长阶段,干斑直径和接触直径逐渐增大;在脱离阶段,接触直径逐渐减小。在气泡稳定生长时期,接触直径与气泡直径的比值约为0.6。实验结果验证了微液层边缘存在弯曲结构。本研究获得的气泡微液层演变数据可为气泡生长模型提供实验支撑。