HTR-10堆芯球流运动的唯象学DEM模拟

清华大学研发的lOMW高温气冷堆（HTR10）是国际上重要的先进实验反应堆，球流运动的研究具有基础性地位。通过唯象的方法对HTR10堆芯的球流运动进行了离散元数值模拟，通过已由实验验证的计算程序，采用与HTR-10堆芯1：1的计算模型，计算了27000个元件单元的运动，包括不同摩擦系数厂和不同底部锥角A下的球流运动。结果表明：在HTR-10堆芯设计条件下，球流运动较均匀，堆芯底部不存在滞留区；f越大或A越大，堆芯球流越均匀，表现出更好的整体性向下运动；当厂达到0．8上限时，HTR-10堆芯球流依然保持了整体性运动，底部无任何被滞留的球。本工作对进一步优化球床式高温气冷堆堆芯设计具有重要意义。

二维双区球流运动唯象方法的参数分析

为了研究摩擦系数和底部倾角对双区球流的运动影响,参照二维堆芯球流运动实验台架,采用离散单元法对双区球流运动进行数值模拟,并从唯象的角度对不同摩擦系数和底部倾角下双区的分布、中心区/交混区及滞留区等问题进行分析。结果表明:随着摩擦系数增大,球流动更加均匀,滞留区在一定范围内随之增大,交混区域有所减小。底部倾角越大,流动越均匀,滞留区和缓慢流动的区域越小。

二维双区球流运动唯象方法的数值模拟

为研究燃料球和慢化球呈双区分布的球床式高温气冷堆球流运动的规律,以二维双区球流运动实验台架为参照,采用离散单元法(DEM)进行数值模拟。从唯象的角度对模拟结果进行分析,研究了双区分布的形成过程、中心区、交混区与滞留区以及速度分布等问题。模拟结果表明:在当前模拟条件下,可形成稳定的中心区,中心区与环形区之间存在交混区,且存在滞留区。本体内越靠近底部卸料口,竖直方向速度分布越不均匀,水平方向的扩散越来越大。

球床式高温气冷堆球流及球床辐射的理论与实验研究进展

球床堆芯的球流及等效导热系数是直接影响球床式高温气冷堆设计、运行和安全的重要依据,具有重要的意义。清华大学核能与新能源技术研究院近年对球流和球床等效导热系数进行了实验测量、理论研究和数值模拟,全面深入地揭示了球流规律、球流纺及径向内扩散规律、球床几何优化、物性参数影响、球流流态表征及刻画、球床等效导热系数建模等。本文对此进行了回顾总结,并指出了下一步的研究方向。

二维双区球流运动唯象学方法实验研究

基于唯象学方法的4种基本形式开展球流实验研究,以根据相似准则的原理建立的高温气冷堆二维堆芯的球流运动实验系统为模拟对象,对球流运动进行实验模拟。结果表明:球流实验采用循环加球方式更能反映实际反应堆的情况;球流运动具有从下向上、从中间向两侧传播的特性,中心区快于环形区,整体不表现出层流特性;在中心区和环形区间存在着交混区域;在球床底部角落存在明显的运动缓慢区域。

二维球流运动摩擦系数影响的数值模拟

为研究摩擦系数对球流运动的影响,参照二维堆芯球流运动实验台架,采用离散单元法对球流运动进行了数值模拟,并对从标记点产生的球流区域的均值流线、标准方差和平均停留时间等进行了比较和分析。结果表明:球的摩擦系数对球流流场影响不大;球的摩擦系数越大,水平方向扩散越小,流动越均匀;壁面摩擦系数对水平方向扩散影响不大;壁面摩擦系数越大,流动越不均匀。

高温气冷堆球流实验的数值模拟研究初探

从球床高温气冷堆的球流实验系统特点出发,对通过理论途径模拟高温气冷堆球流实验系统进行了初步探讨。得出结论说明DEM模型对唯象学球流研究的模拟具有很好的准确性,在计算球流局部细节的定量特征上具有一定准确性,但还有进一步发展的空间。

高温气冷堆球流检测系统中CsI(Tl)探测器温度影响研究

为保证球床式高温气冷堆(PB-HTGR)球流检测系统投影数据获取过程中输出信号的稳定性,需对探测模块输出暗电流的稳定性进行分析。本文随机选取了2组CsI(Tl)探测器模块作为研究对象,并专门设计了温度及暗电流的控制和测量装置,分析了模块暗电流的输出特性及其控制要求。实验结果表明:各探测单元输出暗电流随温度的变化呈近似指数变化,且室温下温度波动±2℃时第32路单元的暗电流波动达8pA。因此需对探测系统进行温度控制,同时分析实验数据并结合暗电流稳定性的控制要求,提出检测系统的最佳温控范围为(18~22)℃,对应的温控精度为(±0.92~±0.21)℃。

球团流与球流在球床内的混合卸料特性研究

为更好地了解球床中球团与单球的双组分体系的流动特性,本文采用离散单元法模拟分析了球床中球团与单球二元混合颗粒材料的卸料特性。球团由3个粘接的单球通过刚性bond组合而成,形成60°、90°、120°和180°夹角。不同数量占比的球团和单球从球床底部的卸料口混合卸出,定量分析了球团组合夹角和球团数量占比对球床双组分混合球流流动特性的影响。研究结果表明,球团的存在会降低卸料速率,定量分析该降低程度与球团的粘接夹角及球团数量占比的关系后,发现卸料速率与二者均存在一定负相关性,即卸料速率随球团夹角及球团数量占比的增加而减小。

三维可压缩绕球流的整体线性稳定性研究

研究基于三维可压缩Navier-Stokes方程拟线化方法的整体稳定性问题的数值求解,采用隐式重启的Arnoldi方法求解其特征值问题.针对三维可压缩绕球基本流,研究其在亚临界参数Reynolds数Re=200,马赫数M=0.2,以及超临界参数Re=300,M=0.6下的整体稳定性问题.结果表明,Mach数的增加(直至M=0.6)对流场模态的转变没有定性影响.

球床式高温气冷堆球流CT探测器辐照光输出稳定性研究

针对长时间实验过程中CsI(Tl)闪烁体探测器的辐照光输出会不断变化的问题,在实现探测器输出暗场的稳定性控制后,对按实际堆芯5∶1比例缩小设计的球流检测系统进行了长达48h的空载γ射线辐照,并记录了暗场稳定性的控制结果及探测器的辐照光输出。结果表明:各闪烁体探测单元受γ辐照后,辐照光输出先不断上升,达到最大值后再线性下降。分析探测器辐照光输出发现,几何尺寸和物理成分相同的各探测单元彼此间的辐照光输出上升幅度比与辐照损伤均存在差异,但辐照光输出达到最大时对应的累计剂量基本相同,且与初始辐照光输出大小无关。最后提出了对系统辐照光输出的上升和下降阶段分别采用指数校正和线性校正的思路,为球床式高温气冷堆球流检测系统图像重建过程中投影数据的校正提供解决方案。

高温气冷堆换料过程的球流数值模拟与分析

针对高温气冷堆球床堆芯换料过程中复杂的球流运动行为,本文完成了球流数值模拟与分析。应用离散单元方法对高温气冷堆球床堆芯进行建模,实现了极低换料速度下间歇性堆芯球流的准静态流动模拟。对比分析了不同的杨氏模量与球床高度下球流速度分布、流线分布和局部滞留等球床特性的差异,明确了杨氏模量的选取对于模拟结果可信程度的影响。结果表明:球体刚度、球床内球体数量的变化会显著影响球床底锥结构内的球流特性,球床的球流流态随球体数量的减少由整体流转变为漏斗流,球体杨氏模量不低于107 Pa,能较好地保证计算精度。

球床堆近等径球流管路气力输送动力学建模及应用

球床反应堆采用气力输送的方式,完成每天数千个燃料元件的堆芯内外循环。该文建立了"近等径球流管路气力输送"动力学模型,用以描述球床反应堆燃料元件输送过程。以此模型为基础,研究了输送管路的结构参数对燃料元件运动特性的影响。研究结果表明:管球直径比和管道倾斜角增大,燃料球的轴向加速时间缩短,末速度提高;碰撞恢复系数越大,燃料球与管道内壁的碰撞越剧烈;燃料球平衡速度低于气体流速,并随管球直径比的增大而显著升高;减小管球直径比和管道弯曲半径可以限制整个气力输送过程燃料球的最终速度,降低燃料球对堆芯的冲击。试验结果与理论分析符合得较好。该文为球床反应堆燃料循环系统管路结构的设计及优化提供了依据。

双区球床堆芯球流运动二维比例模型唯象实验

为研究燃料元件和慢化球呈双区分布的球床高温气冷堆球流运动规律,建立了实际堆芯的二维比例实验模型。从唯象角度实验研究了双区分布形成过程、中心区/模糊区大小与形状、滞留区等与堆芯物理和结构设计相关问题。结果表明:球流运动具有随机特性,但宏观上具有确定性,本实验条件下可以形成稳定的双区分布;加装导向挡板对双区的形成及其形状、大小没有影响,但对双区交界处的交混有改善作用;本实验条件下存在滞留区,可通过改变本体底部设计加以消除。

球床反应堆燃料循环球流管系结构过球可靠性分析

基于结构概率极限状态设计理论提出了一种适用于球床反应堆燃料循环球流管系结构过球可靠性分析的方法。建立了管道过球功能函数,以及过球可靠性分析的量化指标——管道结构过球可靠性指标β。利用有限元方法建立管系整体梁单元模型,并进行管系静力及动力分析,结合应力分析结果计算β,并通过目标指标β*控制球流管道变形。工程设计分析实例表明:所提出的球流管系过球可靠性分析方法能够在满足管系承载安全性要求的同时提高整体过球可靠性。

等径球颗粒群流动特征实验研究

为考察等径球颗粒流动特性以便正确地设计模型试验或简化离散元计算,进行了透明可视的二维(单层紧密排列)平底仓钢珠卸料实验、拟二维矩形料槽玻璃球卸料实验和三维半圆柱平底仓玻璃球卸料实验。结果表明:二维(单层)精确等径球颗粒床具有微晶格效应,因此流动是畸变的;半圆柱仓的三维流动不出现畸变;而第3方向取几个球厚度的拟二维流动也避免了微晶格效应和畸变。透明半圆柱平底仓的玻璃球卸料实验表明用它取代圆柱仓可以较好反映圆柱仓内颗粒流动规律。拟二维和半圆柱仓的简化对诸如球床式核反应堆堆芯内球流一类问题的模型实验和离散元模拟有实用价值。

球床式高温气冷堆球流混流的影响分析

研究球床式高温气冷堆球流存在的混流对堆芯关键参数的影响。开发了能模拟球流混流过程与效果的MFVSOP程序。选择球床模块式高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)平衡堆芯为研究对象,对比分析不同的混流程度对堆芯功率峰值、功率密度等参数的影响及其不确定性。分析发现,混流对球床式高温气冷堆关键参数的不确定性影响不大,多次通过的燃料循环方式可降低不确定性。

球床式高温气冷堆球流混流的模拟

球床式高温气冷堆(HTR)球流运动存在混流的现象,它会对功率峰值等堆芯参数发生影响。该文开发了专门的混流模拟方法,在原球床高温气冷堆分析程序VSOP的基础上开发了新的程序系统MFVSOP。新程序通过设定不同的混流比例可模拟球床式高温气冷堆堆芯每个流道与相邻流道的混流,实现其与堆芯物理、热工、燃耗等计算耦合并有能力分析球流混流运动对堆芯燃耗分布、功率分布等参数的影响。对于研究球床式高温气冷堆的运行特性及不确定性分析提供了有力的计算工具。

球床式高温气冷堆球流混流影响的机理

球床高温气冷堆球流运动存在由于随机扰动引起的混流现象,它对于功率分布等堆芯关键参数有影响。通过开发工具、定量分析,发现其影响较小,而多次通过的燃料循环方式有效降低堆芯关键参数由于燃料球随机运动而造成的计算不确定性。球流混流使得堆芯不同区域内不同价值的核燃料球实现交混,对比分析堆芯各区域核密度及燃料球燃耗深度变化结果表明:混流效应使堆芯各区域核密度发生变化,但球床式高温气冷堆堆芯燃料球分布和运动使得堆芯各区域核密度差异不大,而多次通过使此差异更小;因此混流效应使得各区域核密度变化很小,进而对堆芯关键参数影响很小。