中国原子能科学研究院回旋加速器束流动力学与多物理场模拟技术发展与应用

经过60年的发展,中国原子能科学研究院(CIAE)独立自主地开展了基于PIC技术的强流回旋加速器束流动力学的大规模并行计算的核心算法研究,开发了CYCPIC2D、CYCPIC3D和OPAL-CYCL等强流回旋加速器束流动力学模拟程序,搭建了专用的高性能并行化计算机群PANDA。本文以CIAE已建成及在研的不同类型的回旋加速器为例,总结了回旋加速器基本束流动力学的分析方法和主要计算结果,并介绍了CIAE在回旋加速器束流动力学与多物理场模拟技术方面的发展与应用。

激光定向能量沉积的粉末尺度多物理场数值模拟

激光定向能量沉积技术作为一种同轴送粉式金属增材制造技术,以其制造效率高、成形尺寸大等优势在航空、航天、交通等领域具有广阔的应用前景.然而,该技术在金属零件的尺寸精度和形状精度控制方面存在诸如尺寸偏差大、表面不平整等控形问题,亟需发展高效高精度预测熔覆层成形尺寸形貌的数值模拟方法.针对该问题,本文建立了考虑激光-粉末-熔池交互过程的高保真多物理场数值模型.其中,采用高斯面热源等效激光光束,利用拉格朗日质点法求解粉末输送及其与激光交互的过程,进一步结合有限体积法和流体体积法求解粉末-熔池的交互及其流动凝固过程,并通过TC17合金单道熔覆层实验结果进行了验证.基于该模型,首先预测了不同工艺参数下单道熔覆层形貌尺寸,并对熔覆层形貌的变化趋势及其内在的物理机理进行了深入分析.结果表明,依赖于工艺参数的粉末温度分布和粉末基板能量分配比例对熔池流场和熔覆层尺寸有显著的影响.本文所建立的数值模型可辅助激光定向能量沉积增材制造技术控形工艺参数优化,所得结论可为成形件尺寸和形状精度控制提供理论指导.

真实破裂过程分析软件与多物理场耦合软件结构力学模块对比研究

简要介绍了真实破裂过程分析软件系统(RFPA)和多物理场耦合数值模拟软件系统(COMSOL Mul-tiphysics),并分别运用这两个软件系统对受拉应力作用下带孔平板试件和共心圆轴试件在热应力作用下的受力变形特征进行了数值模拟对比分析,指出真实破裂过程分析软件系统的特色在于对材料破坏过程的分析处理,而多物理场耦合数值模拟软件系统的特色在于对于复杂多场耦合问题的求解,将这两种软件系统各自的特色特点结合起来应用于材料破坏过程中的多场耦合问题分析是以后应当努力发展的方向.

电磁冶金过程的数值模拟

电磁冶金技术是调控合金材料制备的一种重要手段,而模拟仿真可以在一定程度上辅助优化电磁冶金过程的工艺参数,并帮助进一步理解其深层的作用机理。本文综述了近年来模拟仿真技术在电磁冶金领域的应用,并对比宏观、介观尺度下多物理场下金属凝固模拟方法,分析目前现有模型在提高计算精度、计算效率时所面临的困难。讨论现有小尺度模型在扩展应用尺度方面的可能性,以更全面的模拟实际电磁冶金过程,辅助电磁冶金技术的进一步发展与应用。

高压脉冲作用下水中硬岩的电场特性研究

高压脉冲液相放电由于其众多优势,广泛应用在岩石的破碎、石油开采、污水治理等领域.本文通过推导等效放电回路方程,得到放电电流及达到峰值电流的时间表达式,从而在COMSOL Multiphysics中定义脉冲电压,并将其加载在仿真模型的高压电极上.模拟仿真硬岩矿物组成、粒径、电极距离对电场强度和分布特征的影响.结果表明电场强度高度依赖矿石的电学性质、进料粒径、以及矿粒的位置.矿粒的介电常数差异越大,电场越强,分布越不均匀;电场强度向矿石边界转移,体现了电破碎的选择性破碎的机理,以及最大场强随着矿粒尺寸呈指数减小.

模拟仿真在湿法炼锌和炼铜中的应用

湿法冶金因独特的工艺技术广泛应用于有色金属的提取过程。与火法冶金相比,湿法冶金具有污染较容易得到控制、对原料适应性强、冶金过程具有较强选择性、规模可控、机动性强、有利于综合回收有价金属、成本较低及能够得到纯度较高的产品等优点。数值模拟建模和仿真是研究和优化湿法冶金过程的一种成本较低、效率较高的方法。本文综述了湿法冶金工业中电积锌和电积铜过程的电流效率、电解液流场及电场等关键技术参数的多物理场数值模拟的研究进展,概述了模拟仿真在湿法冶金工业中的实际应用价值和意义。

数字孪生技术在核电DCS领域应用探讨

DCS作为核电站的神经中枢系统,在保障核电站安全可靠运行中发挥着重要作用。研究了数字孪生技术在核电DCS领域的应用:探讨了数据驱动模型、物理驱动模型分别在DCS系统、DCS设备的数字孪生过程中的应用;VR技术与核电DCS数字孪生技术在核电DCS领域的结合方式。基于虚拟DCS技术、多尺度/多物理场模拟技术构建核电DCS健康监测系统,探索了数字孪生技术的核心功能:实时仿真、重现、优化和预测在核电DCS健康监测系统中的实现方式。

半导体集成与封装中基于微观组织的多物理场耦合模拟

半导体技术与封装正向系统集成方向加速发展.在未来的系统集成中,将会同时设计和制造封装与晶片的制备.但是,材料的因素,尤其是微观组织,至今还不在电子封装的集成产品设计平台考虑之列,究其原因是电子封装使用的材料众多而且发生的材料现象复杂.在材料基因组计划(MGI)的背景下,本文综述一系列的研究工作,旨在建立材料微观组织与其在多物理场作用下的响应关系.采用热力学计算、突变界面模型、相场法和晶体相场法的手段来预测微观组织.在预测的微观组织基础上,对超细电子互连进行线弹性力学分析和电迁移仿真.提出采用基于奇异值分解的方法来提取微观组织特征,发现微观组织特征指标随电子互连尺寸的增大而单调递减.基于人工神经网络的拟合揭示了微观组织指标与超细互连中平均von Mises等效应力之间的非线性关系.本文最后展望了考虑微观组织的随机性以及由此而导致的电子互连可靠性上的离散性的研究工作.

页岩气藏加密井压裂时机优化——以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例

加密井的压裂时机直接影响着页岩气藏最终的开发效果。为了有效地指导页岩气藏加密井部署与压裂施工,基于离散裂缝网络模型、有限差分模型及有限元模型,提出了一套页岩气藏加密井压裂时机优化方法:根据页岩气田开发现状及井网加密需求,系统考虑储层非均质性和天然裂缝发育特征,建立渗流—地质力学耦合条件下四维地应力演化及复杂裂缝扩展的多物理场模型,进而模拟加密井水力裂缝扩展形态、加密井及井组开发效果,最终优选出加密井最佳的压裂时机。以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例,利用该优化方法研究了加密井压裂时机和施工参数对其复杂裂缝扩展形态、单井及井组产能的影响规律。结论认为:①该优化方法能够有效模拟老井生产过程中储层物性及力学状态变化,预测压后产量变化,优选加密井压裂参数及压裂时机;②当加密井射孔簇间距减小、每簇施工液量增大时,水力压裂改造体积、裂缝密度增大,压裂后产量提高,但射孔簇间距过小、每簇施工液量过大时,则有可能会导致分支裂缝串通和重叠,降低压裂液效率、影响压裂后产能;③压裂时机越晚,加密井井筒附近分支裂缝越密集,但改造体积越小、初期产量越低;④当目标井组生产36个月进行加密井压裂时,井组累计页岩气产量最高、开发效果最优。

密闭圆筒仓内储粮自然对流及热湿耦合传递的研究

粮食作为吸湿性多孔介质,具有吸湿和解吸湿特性。一般粮食收获后,大部分时间在密闭非通风状态下自然存储。鉴于粮仓外气候条件的季节和昼夜变化,会使粮堆的温湿度发生周期变化,导致超出存储安全指数。该文将以仓储粮堆内局部热湿耦合传递过程作为研究对象,借助多物理场数值模拟软件(COMSOL)进行数值模拟,研究近似冬夏季工况下粮堆内温湿度的动态变化规律,充分考虑了仓储粮作为吸湿性多孔介质具有复杂的热源、湿源。

考虑谷物呼吸的仓储粮堆热湿耦合传递研究

粮食作为生物性多孔介质,具有呼吸特性。一般粮食收获后,大部分时间在密闭不通风状态下存储。以粮堆内局部热湿耦合传递过程作为研究对象,分析了不通风状态下的圆筒形粮仓在自然对流条件下由于温度梯度影响而产生近似冬夏季工况的温度分布和水分转移,借助多物理场数值模拟软件(COMSOL)进行数值模拟,将粮食呼吸作用产热、产湿量以热源、湿源项考虑在数学模型中,通过对温度场、水分场的描述指导工程实践。

氯离子侵蚀作用下盾构管片服役性能探析

为揭示跨海盾构隧道侵蚀发育规律并评价管片服役性能,以厦门地铁6号线下穿马銮湾海底隧道工程为背景,利用多物理场耦合有限元软件Geo-studio开展了水土荷载作用下海水非饱和渗流与氯离子运移数值模拟,对管片服役期的劣化行为过程进行探析。在此基础上,还确定了管片内外排钢筋的无锈工作时间。结果表明:(1)海水入渗和氯离子侵蚀发展均从衬砌环外缘各个方向呈圆环状同时入渗,渗入深度和速率受所处部位的水压力影响较大;(2)同一时间,管片不同位置处的海水渗入深度和氯离子侵蚀深度总体表现为拱底>拱脚>拱肩>拱腰>拱顶,隧道埋深越大的部位海水入渗深度越深;(3)隧道拱底部位外排钢筋最先锈蚀,其无锈工作时间为34.6年,相应海水渗入深度最深约为105 mm。

基于Matlab和COMSOL的等离子原煤脱硫仿真研究

等离子原煤脱硫模型是一种利用等离子体在燃烧前对煤进行脱硫的技术,依据实验室的原煤脱硫模型,运用Simulink软件平台,搭建了等离子脱硫电路仿真模型,对其模型和影响等离子体脱硫的一些因素进行讨论分析。主要是利用多物理场耦合软件(COMSOL)对等离子脱硫放电模型在氩气环境中的等离子体进行了模拟与分析,对等离子脱硫放电模型在试验中采集的数据进行处理与分析,并提出了推测:等离子煤脱硫的脱硫效果会体现在近次谐波上。

膨润土衬垫溶质扩散及渗透行为COMSOL模拟

针对填埋场膨润土衬垫(GCL)易于被化学溶质击穿的问题,研究了化学溶质在GCL中的扩散行为和破坏机理,以指导工程实际。通过COMSOL Multiphysics构建膨润土扩散柱数值模型,研究了离子种类、离子浓度、水头压力以及上覆应力等因素对化学溶质在GCL中扩散行为的影响,并研究了渗透系数与扩散系数之间的转换关系。结果表明,阴离子比阳离子的扩散衰减速率小,扩散速率随溶质扩散时间的增长而减小,化学溶质的扩散会显著增加溶质浓度梯度的变化。对于扩散系数较大的溶质,孔隙率和扩散系数能较好地表征其扩散行为。上覆压力会明显增大化学溶质在GCL中的扩散。低、中浓度初始扩散源的扩散范围较浅,而高浓度初始扩散源的扩散范围较大。因此,在垃圾填埋场工程中,应根据渗沥液浓度、离子种类以及上覆垃圾荷载等对GCL的防污性能进行安全评估,尤其应对高浓度和高应力作用下较深范围内污染物的迁移情况进行监测。本研究结果可为GCL在填埋场中的工程应用和防污安全预警提供参考。

非能动安全壳冷却系统水箱低温环境散热过程数值模拟研究

三代核电技术AP1000的非能动安全壳冷却系统(PCS)用于事故情况下安全壳的降压和反应堆余热导出。PCS可能面临的一个安全风险是其水箱(PCSWST)在严寒环境下长时间失去加热可能导致的冻结。通过多物理场耦合的数值模拟方法对严寒条件下PCSWST的散热过程进行分析,对其冻结风险进行评估,并就水箱保温设计提出建议。

基于SPH方法的激光选区熔化数值模拟研究

激光选区熔化是一种常用的增材制造技术,其成形过程涉及传热、熔化、熔池流动及快速凝固等复杂的多物理现象,发展多层多道粉床熔化的数值算法具有重要的科学意义和广阔的工程应用价值.本文基于光滑粒子动力学(SPH)方法,建立了粉末尺度多物理场熔池动力学数值模型,实现了激光选区熔化多层多道的三维SPH数值模拟.首先,针对SPH方法难以实现多层铺粉的问题,提出了一种将SPH表面粒子转化为界面网格的技术,并实现了多层粉末床的铺设;其次,针对单道能量密度以及多道扫描间距对熔道成形的影响展开讨论;最后,通过对比不同工况对应的熔道成形质量,得到了单层的最优工况,并将其用于多层模拟.本文工作弥补了目前SPH方法在粉末尺度金属增材制造数值模拟方面的不足,可为粉末尺度金属增材制造缺陷分析、过程优化及工艺参数与产品性能的关联提供可靠的仿真工具.

空气中直接测量ZnO纳米线弹性模量的方法及其表层值研究

提出在大气环境中测量氧化锌纳米线共振频率的方法。通过自制平行微电极施加横置交变电场使纳米线振动,并利用原子力显微镜非接触模式使探针和纳米线顶端间距在分子力作用范围内,探针和纳米线在分子力作用下同步运动。又通过逐渐改变交变电场频率,使纳米线承受频率连续变化的激励作用。通过光电传感器识别探针的位置变化,从而可以通过判断光电传感器信号的激增来确定纳米线共振的发生,得到纳米线共振频率。根据共振频率和几何尺寸的对应关系,由欧拉伯努利梁理论得出氧化锌纳米线弹性模量的变化规律,发现其不等于氧化锌块状材料值且不是常量。由于纳米线尺寸为纳米级别,所以纳米线生长边界的张弛层厚度对纳米线整体性能影响较大。应用有限元多物理场耦合模拟,建立壳-核模型且考虑到在空气中振动的热黏阻尼对试验过程进行模拟,得到共振频率对应的壳部和整体模型弹性模量及其变化规律。

基于梯度翅片换热器的热电发电系统性能研究

本文建立了热电发电系统(TEG)多物理场数值模型,并充分考虑换热器流体影响,综合研究了具有不同热侧换热器翅片结构的TEG系统性能。在雷诺数为1000~10000范围内,分析了流体沿程温度分布特征、泵功及热电发电模块的能量转换特性.所研究的三种翅片结构包括:全流道等高度直翅片(Fin-1)、下游强化梯度翅片(Fin-2)以及上游强化梯度翅片(Fin-3).研究表明,通道长高比及热电材料覆盖率一定,热电发电功率及转换效率随流量呈二次曲线变化关系,存在最匹配流量使得系统发电性能最佳。等高度直翅片对流量的变化敏感,随流量增大,则压损增大,导致系统净输出功率及发电效率无收益.而梯度翅片可以在更大范围内产生正收益;下游强化梯度翅片具有最佳的流体沿程温度均匀性,但沿程局部热阻却最大.综合考虑沿程局部热阻分布及泵功消耗,上游强化梯度翅片TEG系统净转换效率最高,因此局部热阻分布及泵功综合因素应为TEG内的换热器合理设计的关键。