基于单元体理论的球床堆积结构与传热算法研究

以球床堆积结构为分析对象,利用离散单元法(DEM)进行数值模拟,实现球床的堆积并取得良好结果。随机堆积的球床中极少有颗粒达到最密集堆积状态,在靠近球床壁面处孔隙率迅速增加。对整个球床进行Voronoi单元体划分以分析球床局部结构,在大空间区域处堆积具有随机特点,在靠近壁面处呈现有序堆积特征。对每个单元体建立热平衡方程,实现对球床局部温度场的仿真,温度场计算结果与实验结果符合得很好。

基于大涡模拟的三维随机球堆积床内湍流流动特性

基于离散元软件LIGGGHTS构建了球堆积床的三维随机结构模型,通过计算多孔介质的宏观阻力系数及局部孔隙率来验证模型的有效性.以典型的径向切面为研究对象,采用大涡模拟和k-ε湍流模型预测多孔介质内的湍流特性与旋涡分布规律.结果表明,随机结构模型能够预测多孔介质的宏观阻力系数及局部孔隙率.大涡模拟不仅能够描述多孔介质内部直径为0.4~2.0mm的细小旋涡和大孔隙内的复杂旋涡结构,而且能够模拟局部孔隙内细小旋涡的产生与发展历程,以及大旋涡的拉伸、分裂直至消失的过程,这与实际情况及湍流基本理论的研究结果相符.

TMSR-SF球床随机堆积结构的离散元模拟

中国科学院上海应用物理研究所设计的10 MW固态燃料钍基熔盐实验堆(Thorium-based Molten Salt experimental Reactor with Solid Fuel,TMSR-SF)是一种球床型氟盐冷却高温堆,其三维球床随机堆积结构对于堆芯反应性变化和换料分区方案以及热工水力分析中的流动传热都具有重要的影响。为了研究TMSR-SF堆芯球床随机堆积规律,基于PFC3D(Particle Flow Code 3 Dimensional)程序,分别计算并分析了填充颗粒球大小、颗粒间摩擦系数以及填充颗粒球数对球床稳态堆积结构的影响。结果表明:填充直径小的颗粒球,可使球床孔隙率振荡减弱,有利于堆芯功率密度分布的展平;通过减小颗粒间摩擦系数能较好地模拟振动压实效果,压实过程中颗粒间摩擦系数与稳态堆积球床孔隙率和配位数满足负指数关系。当填充颗粒球数超过约8 000个后,球床平均孔隙率和配位数变化趋于恒定,分别稳定在0.43和5.6左右;此时颗粒球数量对球床稳态堆积结构的影响降至最低,可被用来代替满装堆时的球床用于TMSR-SF自然循环的热工水力数值分析,达到节省计算资源的目的。本研究对理解TMSR-SF堆芯球床结构特性与堆积规律具有参考价值。

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。