高温气冷堆堆芯球床的流动与换热分析

球床式高温气冷堆的堆芯堆积有大量的燃料球,具有多孔介质特征。本文利用计算流体力学商用软件ANSYS Fluent及其多孔介质模型模拟了球床内的流动与换热现象。通过高温气冷堆满功率稳态运行及失冷不失压事故工况的模拟,分析了球床的流场和温度场,并与高温气冷堆的热工设计计算结果对比,说明了计算流体力学软件及其多孔介质模型对于球床式高温气冷堆热工水力分析的适用性,为后续使用计算流体力学软件开展高温气冷堆的堆芯旁流等复杂热工水力学现象的分析奠定基础。     

高温气冷堆堆芯球床流动与温度分布均匀性研究

由于燃料球的随机分布和球床的壁面效应,球床式高温气冷堆堆芯孔隙率分布会有一定的不均匀性。深入认识壁面漏流、随机孔隙率对球床温度分布均匀性的影响对进一步提高高温气冷堆冷却剂出口温度及其安全性具有重要意义。本文采用多孔介质模型实现了对堆芯球床壁面漏流、随机孔隙率效应的数值模拟。结果表明,由于壁面漏流效应,壁面附近局部区域冷却剂最大速度会比中心高50%,对球床温度影响则不大。中心区域局部极小、极大孔隙率只对很小区域内流速和温度有影响,但温度变化幅值很小。球床中心随机孔隙率使冷却剂速度波动小于13%,对球床温度影响很小。     

HTR-PM中燃耗测量方法研究和测量系统原型研制

作为球床模块式反应堆中燃料元件循环的重要组成部分,燃耗测量系统必须对连续排出堆芯的燃料球进行非破坏性在线测量,以确定是作为乏燃料球退出循环,还是将其返回堆芯。137Cs的活度和燃耗值存在很好的单调对应关系,因此在高温气冷堆(HTR-PM)核电站示范工程中将利用高纯锗探测器测量燃料球中137Cs的活度,进而根据燃耗计算曲线确定其燃耗值。通过实验以及基于Geant4的蒙特卡罗全模拟,利用效率传递方法准确得到了系统刻度的修正因子。同时发展了快速自动的谱寻峰和峰面积分析程序用于双源实验和MCNP模拟的γ谱分析,结果表明,尽管有干扰峰的影响,该系统预计对137Cs的活度测量相对不确定度依然可以控制在3.0%以内。在以上工作基础上成功研制并测试了一套全尺寸的燃耗测量系统原型。     

蓄冷球堆积床动态充冷性能模拟

根据蓄冷球和载冷剂之间的能量平衡,建立了蓄冷球堆积床充冷过程的数理模型。该模型考虑了载冷剂与蓄冷球之间的换热系数变化、载冷剂的导热、相变蓄冷材料的过冷度以及蓄冷球堆积床热损失的影响。采用数值计算方法模拟了蓄冷球堆积床的充冷过程,讨论了载冷剂入口温度、初始温度和流速对充冷过程蓄冷材料温度、载冷剂温度和蓄冰率的影响。     

蓄冷球堆积床动态放冷性能研究

根据蓄冷球和载冷剂之间的能量平衡,并考虑载冷剂与蓄冷球之间的换热系数变化、载冷剂的导热、蓄冷球堆积床热损失的影响,建立了蓄冷球堆积床放冷过程的数理模型。采用数值计算方法模拟了蓄冷球堆积床的放冷过程,并讨论载冷剂流速、载冷剂入口温度以及堆积床孔隙率对放冷过程中载冷剂出口温度和放冷量的影响。     

窄缝内汽液两相临界流实验研究

本文实验研究了高过冷水在窄缝内形成的汽液两相临界流动现象,考察了水的泄漏率与容器内压、温度、流道几何尺寸等影响因素之间的关系,给出了一个简单的拟单相流预测关系式,和实验数据的比较表明,该关系式可以较好地预测高过冷水在窄缝内形成的气液两相临界流动现象.     

估算双层屏蔽腔体窄缝耦合的混合方法

 用混合方法计算双层屏蔽腔体窄缝耦合时,外腔体的窄缝耦合用传输线模型计算,内腔体的用磁偶极子模型计算。混合法可以求出双层屏蔽腔体内的场分布和屏蔽系数的分布规律,避免了传输线模型只能计算腔体中心线上的屏蔽系数而不能分析腔内横截面上耦合场分布规律的缺点。将得到的窄缝耦合的传输线模型和磁偶极子模型的计算结果与实测值和Micro-Stripes软件仿真值进行对比,验证了传输线和磁偶极子模型的有效性。混合方法给出了窄缝数量及腔体内不同观测点对屏蔽系数的影响,结果表明：双层屏蔽腔体的屏蔽效能明显优于单层屏蔽腔体;随着相同尺寸的窄缝数量的递增,腔体内的屏蔽系数递减;在与双层屏蔽腔体中心线垂直的横截面上,观测点屏蔽系数以中心线上点为中心,沿窄缝方向向两边递增,也就是离中心线越远,腔体内的耦合电场越弱,且混合法的速度明显快于软件计算速度,适合于高频范围的分析。     

高温堆球流模拟在堆物理中的应用

介绍了高温气冷球床反应堆物理计算中燃料元件流动特性模拟的方法,对10MW高温堆进行了计算,与未考虑堆芯中燃料曲线流动的简化计算结果进行了比较。     

包层氚增殖球床不同装载方案的有效热导率研究

针对聚变堆固态包层的产氚载体中锂陶瓷颗粒组成的氚增殖球床,建立了基于离散元-计算流体力学(DEM-CFD)方法的球床传热分析模型,进行了离散元(DEM)几何模型有效性验证、网格敏感性分析和计算流体力学(CFD)传热模型有效性验证。用该模型模拟计算了粒径分布球床、不同粒径的一元球床、二元球床的有效热导率,研究了相同填充率下,粒径分布、不同粒径及粒径混合对球床有效热导率的影响。研究结果表明,对于填充率相近的钛酸锂球床,粒径分布球床与一元等效粒径球床的有效热导率结果相差不大;在辐射换热可以忽略的情况下,粒径尺寸对一元球床有效热导率的影响可以忽略不计;二元混合钛酸锂球床相较于一元钛酸锂球床有更高的球床填充率和有效热导率。     

高含气率油气水多相流流量计算模型研究

针对目前截面含气率超过80%的油田多相流流量计量中普遍存在的总质量流量和分相流量计量精度低等问题,利用经典文丘里流量计和相参数传感器在多相流实验装置上对油气水三相流流量计算模型进行了研究,改进了传统的文丘里多相流计算模型,建立了基于干度和滑速比的高含气率多相流流量计算模型。实验结果表明,本文提出的高含气率下多相流流量计算模型具有较高的精度,从而为现场高含气率多相流计量提供了一种新的方法。     

中国 HCCB-TBM 氚增殖球床热工水力学特性数值模拟

基于 CFD 软件平台,针对中国 HCCB-TBM 氚增殖区球床热工水力学特性开展 3 维数值模拟研究。 依据 ITER 实际运行工况给出吹氚氦气和结构冷却剂氦气在硅酸锂球床内的流动与传热特性,获取球床内详细的 速度分布、温度分布和压力降。计算结果表明：圆球的排列方式影响球床内氦气流场和球床的最高温度;ITER 运行工况下 HCCB-TBM 增殖区硅酸锂小球及其壁面的最高温度不会超过设计温度。研究结果为增殖区热工水力 学方案的设计验证和下一步开展实验提供参考。     

均匀化模型对CFETR氦冷包层中子学影响研究

在CFETR氦冷固态包层及球床结构的最新概念设计方案中,基于均匀化模型、仅球床均匀化模型与高保真模型分别进行了中子学计算分析。研究了结构均匀化及球床空间自屏效应对包层中子学影响以及小球尺寸对氚增殖比的影响。结果表明,(1) 结构均匀化模型对氦冷包层中子学影响较小;(2) 随着小球直径的减少,球床空间自屏效应堆氚增殖比的影响逐渐降低;(3) 氦冷包层真实尺寸下的小球产生的空间自屏效应较低,可忽略不计。     

基于滑速比的气水两相流气相流量计算方法研究

目前对气水两相流的分相流量的研究中,多是针对两相流总流量和液相分相流量进行,对气相分相流量的研究很少.本文利用文丘里管和含气率传感器对空气水两相流气相流量计算方法进行了研究,在均相流模型基础上考虑了滑速比因素造成的影响,探讨了两相流气相流量计算方法.结果表明,该方法相对于传统的均相流模型在计算精度上得到了显著提高.     

HCCB-DEMO氦冷固态包层热工水力计算及分析

根据这几年HCCB-DEMO包层技术的发展,对原氦冷固态氚增殖包层进行相应设计改进。利用三维有限元软件CFX对该改进设计进行了热工水力学计算及分析。分析模型包括：第一壁,增殖单元,筋板以及三者集成模型。结果表明：各子部件在单独分析的情况下,材料最高温度低于设计要求限值;冷却剂进出口温度为300/500°C,满足设计需求。同时对比分析了集成计算及单独计算的结果,得出第一壁与铍球床之间的相互热作用较大,铍球床材料最大温度会高于设计限值。针对经集成计算后发现的问题,未来将对氦冷固态包层的设计进行进一步的优化。     

基于非线性迭代的压水堆瞬态计算程序开发

采用目前工业上成熟的非线性迭代计算策略,基于两群粗网有限差分方法和多群UNM节块方法,开发了针对压水堆工况的三维瞬态扩散计算程序。UNM方法采用解析基函数作为基函数,通过方程变换解决了解析节块法在临界节块计算不稳定的问题,提高了计算精度。热工计算采用单通道模型和燃料棒一维导热模型,相比目前堆芯在用的经验关系式方法,该模型可以更加准确地计算燃料棒温度分布。采用基于横向积分方程的三节块方法,可以有效减轻控制棒尖齿效应对瞬态计算的影响。为测试程序性能,采用NEACRP等基准算例对程序进行了校验。数值结果表明,开发的程序计算结果正确,适用于压水堆堆芯瞬态过程的模拟。     

DNI扰动条件下太阳能甲醇分解反应器的流量调控策略分析

太阳能热化学反应器实际运行性能会受DNI波动影响。本文研究了在DNI扰动下,不同流量控制策略对甲醇转化率、运行温度、太阳能–化学能转化效率等的影响规律,获得了满足催化床温度限制条件、甲醇转化率最高的优化流量调控策略。例如,当DNI从800阶跃降低至400 W·m^-2时,流量随之阶跃变化会使催化床温度升高至598 K,超出运行安全温度限制;而流量在60 s内斜坡降低至目标值时,满足催化床温度限制的同时甲醇转化率最高,为最优运行控制策略。     

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根据这几年HCCB-DEMO包层技术的发展,对原氦冷固态氚增殖包层进行相应设计改进.利用三维有限元软件CFX对该改进设计进行了热工水力学计算及分析.分析模型包括:第一壁,增殖单元,筋板以及三者集成模型.结果表明:各子部件在单独分析的情况下,材料最高温度低于设计要求限值;冷却剂进出口温度为300/500℃,满足设计需求.同时对比分析了集成计算及单独计算的结果,得出第一壁与铍球床之间的相互热作用较大,铍球床材料最大温度会高于设计限值.针对经集成计算后发现的问题,未来将对氦冷固态包层的设计进行进一步的优化.     

新概念熔盐堆堆芯稳态热工水力计算

针对第四代国际核能论坛提出的新概念熔盐堆堆芯的具体特点,采用DRAGON程序计算了堆芯轴向和径向功率分布因子,并对熔盐堆的燃料盐和石墨慢化剂分别建立数学模型,通过数值方法对新概念熔盐堆的稳态热工水力特性进行了模拟.计算得到了堆芯燃料盐的流量分配,代表元件内燃料盐和内外壁温度沿轴向的变化.     

二维球流运动特性实验中的界面分析法

本文根据相似准则的原理建立高温气冷堆二维堆芯的球流运动试验系统,并提出了二维球流运动中界面分析的定量的实验方法,介绍了界面分析法的理论依据以及在球流内部流场研究和界面特征分析中的操作方法和过程,并且进行了不同加球比例的实验,对得到的相应的均值流线,轴向速度,径向速度,合速度,速度矢量的分布以及球流运动的特性等球流二维流动特性进行了分析,并和标志球法的结果进行了比较。     

基于RMC的微观截面参数化北大核心CSCD

为了进行堆芯计算,需要通过组件计算提前构建少群截面参数库。传统确定论的组件截面参数化方法针对宏观截面进行截面参数化,但这种方式不仅需要考虑多种物理状态参数,而且需要考虑历史效应对截面的影响。提出了基于核素微观截面的蒙卡程序参数化方法,该方法可以消除燃耗历史的影响,且考虑的物理状态仅为燃耗深度以及材料温度。利用蒙卡程序产生组件截面参数库耦合堆芯程序进行堆芯计算,首先用蒙卡程序同时统计对应状态点下的核素密度以及核素少群微观截面,再利用核素微观截面进而获得宏观截面进行后续堆芯计算。为了验证方法正确性,构造了一个自定义的压水堆模型,计算结果与连续能量蒙卡计算结果符合良好。