规则球床堆熔盐流动压降与对流换热CFD模拟

球床堆复杂的几何结构导致直接建模进行热工水力模拟非常困难,一般使用多孔介质模型简化处理,但多孔介质已有的压降和对流换热公式在熔盐冷却球床中的有效性仍待验证。本文基于固态燃料熔盐堆建立了6 cm直径小球的规则球床模型,给定球床进口熔盐流量和球壳发热功率,模拟了球床内的稳态流动与换热,计算了对应的压降和对流换热系数,并分别得到了球床压降、对流换热Nu随球床内流动Re变化的曲线。对比发现:模拟压降结果与已有公式差异较大,而模拟对流换热Nu结果与已有公式的差异相对较小。结合模拟结果和已有的公式,拟合得到了修正的压降和对流换热Nu公式。将修正公式应用于3 cm直径规则球床中,结果表明多孔介质修正模型与直接模拟结果一致。

GPU加速的球床式氟盐冷却高温堆堆芯热工水力程序研发

球床式氟盐冷却高温堆(Pebble Bed Fluoride-salt Cooled High Temperature Reactor,PB-FHR)是一种先进的第四代反应堆。三维堆芯热工水力程序能够模拟具有复杂空间效应的工况,但计算耗时较高。图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)具有大量计算单元,可有效提高程序的计算速度。本文研发了GPU加速的PB-FHR堆芯热工水力程序(GPU-accelerated Thermal Hydraulic Code,GATH),采用非热平衡多孔介质模型建立堆芯物理模型,研究并实现了GPU高速求解算法。对PB-FHR的堆芯模型进行了热工水力分析,与商用计算流体力学软件ANSYS CFX的计算结果进行了对比,验证了程序的正确性。GPU加速性能分析的结果表明,程序整体的加速比率可达8.39倍,证明所研发的GPU求解算法能有效提升堆芯热工水力分析的计算效率。

HYSYS软件在反应堆系统仿真中的应用探索

系统仿真软件可以模拟运行工况变化对系统整体运行带来的影响,在系统瞬态分析和安全研究中起着重要的作用。Aspen HYSYS软件是世界知名的油气过程仿真和优化的系统软件,具有强大的二次开发功能,可以用于反应堆系统仿真。在植入熔盐物性、修改熔盐换热模型的基础上,建立并调用点堆模型的动态链接库,尝试将HYSYS与点堆耦合起来,弥补HYSYS无法对熔盐堆等反应堆进行仿真的缺憾。在此基础上,对中国科学院上海应用物理研究所的熔盐堆设计进行了系统仿真,给出了熔盐堆在不同的运行工况下的系统响应分析结果,并与RELAP5仿真结果进行比较。结果表明,耦合程序有较高的可用性,能够达到预期的效果。

熔盐堆堆芯流体力学计算的GPU并行方法研究

使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值方法对熔盐堆堆芯的流动和热传导等相关物理问题进行模拟求解,需要大量的计算时间。利用图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)加速技术对开源CFD软件Code_Saturne进行二次开发,研究求解熔盐堆堆芯流场的GPU并行算法。采用OpenACC语言在GPU上实现了向量运算、矩阵向量相乘等基本线性代数运算,从而实现预处理共轭梯度法(Preconditioned Conjugate Gradients,PCG)的GPU并行算法,并使用该算法求解压力状态方程。模拟了方腔驱动流模型及带下降段的熔盐堆堆芯模型的流场分布。结果表明,GPU加速后的软件与原版软件的结果一致,但计算时间更少,证明了GPU算法的正确性及有效的加速性。