ADS目标区域流场数值模拟

ADS目标区域流场数值模拟

一、ADS靶区流场的数值模拟(论文文献综述)

文俊[1](2021)在《CiADS铅基反应堆堆芯流量分配设计与优化》文中指出中国加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)选用铅铋冷却堆作为研发堆型。作为第四代反应堆,铅铋冷却快堆中子能谱更硬,中子经济性更高;此外,液态铅铋冷却剂具有较高的导热性,及不与水发生剧烈的化学反应等稳定的化学性质。为了维持反应堆的安全运行,提高反应堆的服役年限,需要对CiADS铅铋冷却堆的堆芯流量分配方案进行合理的优化,实现组件的功率份额与流量分配份额相匹配,展平冷却剂在堆芯出口的温度分布。目前,由于采用液态金属进行水力学实验难度较大,液态金属快堆的流量分配实验研究较少,因此,本文采用技术路线较为成熟的数值模拟方法对CiADS的流量分配特性进行了研究,并依据堆芯的功率分布给出了堆芯流量分配的最优设计方案。本文基于CiADS反应堆燃料组件及堆芯的概念设计方案进行模拟研究。为了提高计算效率,采用多孔介质模型简化了堆内的各个部件;在进行流量分配时,复杂几何区域的阻力特性的输入,会对计算结果产生直接的影响,而目前,尚无经验关系式可以较好的模拟燃料组件下上管座段的阻力特性,因此,本文首先对目前无法用经验关系式较好描述阻力特性的燃料组件下上管座段,建立了精细的三维模型,并采用计算流体力学软件Fluent,分析了下管座段在不同冷却剂开口面积及不同流速工况下的阻力特性,计算得到了下管座段在每个冷却剂入口面积下的阻力特性系数,得到了冷却剂入口面积与下管座段阻力特性系数的拟合关系式。此外,分析了不同流速工况下上管座段的阻力特性,确定了上管座段的阻力特性系数。相对于直接采取经验关系式描述阻力特性,本文中经过细致的水力学模拟计算后的上下管座段的阻力特性更为精确。基于上述计算结果,对CiADS反应堆1/4结构进行了三维建模开展流量分配的相关计算,计算区域包括泵、换热器、流量分配孔板、冷热池隔板、哑组件区、燃料组件下上管座、燃料组件棒束区、组件配重段以及堆芯内外围筒等。通过计算,分析了冷却剂在堆芯入口处的流量分配特性,本文以堆芯的功率份额作为流量分配的参考依据,利用冷却剂入口面积与下管座段阻力特性系数的拟合关系式,对每盒燃料组件的入口面积进行优化,最终使得每盒组件的流量分配份额与功率份额基本一致,达到优化堆芯流量分配方案的目的。此外,根据堆芯热源分布,计算得到了优化堆芯流量分配前后冷却剂在堆芯出口处的温度分布,计算结果表明,优化流量分配前,冷却剂在堆芯出口处的最高温度为670.56 K,最低温度为632.61 K,最大温差为37.95 K;优化流量分配后,冷却剂在堆芯出口处的最高温度为654.27 K,最低温度为651.74 K,最大温差为2.53K,优化方案较好地展平了冷却剂在堆芯出口处的温度分布,为后续水力学实验提供了一定的数据支撑。

陶科伟[2](2020)在《密集颗粒流靶换热问题研究》文中进行了进一步梳理加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System,ADS)可以对核废料进行有效嬗变处理,用于产生中子的散裂靶是ADS关键部件之一。在对ADS研究中,中国科学院近代物理研究所提出了密集颗粒流靶(Dense Granular Target,DGT)概念。密集颗粒流靶是一种较为新颖的靶设计方案,该方案中采用固体颗粒作为散裂材料和冷却工质,颗粒与加速器束流发生散裂反应放出中子,同时,颗粒将散裂反应的沉积能量移出靶体并进行异地换热,散裂靶内颗粒的温升不仅与束流有关,同时与颗粒流速、环境工况等存在密切关系。可控核聚变是解决未来能源问题的有效方法之一,国际上展开了国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)项目,该项目中需要高通量中子源对聚变结构材料进行辐照损伤实验,加速器中子源是一理想选择。在ADS先导专项和ITER中子源项目支持下,研究团队展开了小型中子源(Compact Materials Irradiation Facility,CMIF)的研究,CMIF借鉴了ADS密集颗粒流靶的经验,采用了斜槽铍颗粒流靶设计。无论ADS靶设计还是CMIF靶设计均需考虑束靶耦合问题以及颗粒异地换热效率问题,而密集颗粒体系热输运研究是解决上述问题的关键之一。目前对密集颗粒体系传热的研究工作主要集中在模拟计算方面,建立了各种传热模型,而密集颗粒流传热实验研究较少,因此颗粒传热实验具有相当重要的工程和理论价值。本文主要对密集颗粒流靶系统传热问题展开研究,主要研究内容有:(1)搭建移动床颗粒流传热实验装置,采用接触式和非接触式测温手段对高温颗粒流的换热进行实验研究,从而获得不同颗粒在不同工况下的平均换热系数,并与经典的Bauer“两区”传热模型进行对比分析。研究表明:移动床传热与Bauer“两区”模型相切合,随着接触时间的增加,颗粒移动床平均换热系数减小;随着颗粒热导率和气体热导率的增大,颗粒移动床平均换热系数增大,实验结果与Schünder经验公式结果趋势一致。(2)CMIF利用50MeV@10mA连续波氘束流轰击斜槽铍颗粒流靶产生中子,铍颗粒既作为靶体又作为热移除介质。本文采用离散元数值模拟等方法对斜槽铍颗粒流的稳定性问题进行了研究;对束流条件和束靶参数之间的关系进行了研究,随着束斑的减小,热密度随之增大;同时,对1atm氦气工况下斜槽颗粒流靶进行了流动传热数值模拟研究,颗粒最高温升约550K;最后,对背板冷却和辐照损伤问题进行了研究。(3)基于斜槽颗粒流靶的概念,设计并搭建了颗粒循环回路—CMIF冷态样机。简述了样机关键部件设计方案,同时,对原理样机的部分关键部件进行了离线实验,包括:斜槽颗粒流动实验,换热实验以及长时间稳定运行实验。CMIF冷态样机目前连续运行120小时无故障。

林显斌[3](2020)在《基于扩散界面法的ADS液态无窗散裂靶数值研究》文中认为加速器驱动次临界堆系统(Accelerate Driven Sub-critical System,ADS)包含加速器、散裂靶和反应堆三部分,其中散裂靶起着耦合加速器和反应堆的重要作用。散裂靶里面的液态重金属与加速器里射出的高能质子发生散裂反应,给次临界堆提供高能中子源,所以研究散裂靶是ADS系统研究的重要部分。液态无窗散裂靶是当前研究热点,工质在无窗靶中形成包含气液两相的湍流,对工况进行精确的预测是研究散裂靶的重要一环。首先,简要介绍扩散界面法的数值方法,并用水做工质,基于扩散界面法分别用k-?模型、k-?模型、SST模型和Spalart-Allmaras模型这四种湍流模型对ADS液态无窗散裂靶进行水力数值计算,通过网格无关性验证、实验对比和计算成本对比,发现k-?模型最适用于结合扩散界面法预测无窗散裂靶的工况。同时对四个湍流模型的计算结果进行流动分析和湍流分析。结果表明,在速度场和压力场方面,四个湍流模型的计算结果整体上一致,在回流区的速度要低于主流的速度,低速区由回流区主导。在自由界面的高度和形态上以及回流区长度方面,四个湍流模型的计算结果不一样。湍流动能和湍流耗散率的最大值出现在回流区的右侧轮廓处,SST模型预测的湍流动能峰值最大,k-?模型预测湍流耗散率峰值最大,而对湍流动力粘度预测规律不明显,此外这三个湍流参数都是随着主流往下游发展而逐渐减弱。然后,继续用水做工质,采用扩散界面法和k-?模型对液态无窗散裂靶进行详细的数值计算与分析。用实验对比来证明模型的准确性和可靠性,进行动态平衡分析后研究靶件内的流动特性以及出口压力和入口速度对自由界面和回流区长度的影响。结果表明,靶件内会出现一个细长的回流区且中心线沿程压力会出现一个峰值和谷值。出口背压越大,自由界面越高且越稳定,回流区长度越小。自由界面的稳定性和流动的连续性对入口速度极其敏感,入口速度的减小会降低自由界面的稳定性和流动的连续性,入口速度减小也会降低自由界面的高度以及增大回流区的长度。最后,用液态铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)作为工质,使用扩散界面法和k-?模型对无窗散裂靶进行水力学数值计算和热输运计算。研究出口背压和入口速度对自由界面高度和沿程压力的影响,以及不同能量质子束的热输运情况。结果表明,随着出口压力的增大,液态铅铋合金自由界面的高度呈现出线性增加规律。随着入口速度的增大,液态铅铋合金自由界面的高度增加,并且增加的斜率减小。出口压力越大,入口速度越大,锥形段沿程压力增大。质子束能量越大,穿透液态铅铋合金能力越强,能量沉积越大,能量沉积的范围越大,温度场的最高温度越高,温度场的范围越大。

王梦柯[4](2020)在《颗粒流靶靶体几何对流动性影响的研究》文中研究表明散裂中子源的发展对现代核能工程、材料学的发展有着十分重要的影响。在不同的工程应用中,根据目的、环境不同其对散裂中子源的要求也不同。核裂变反应堆是目前世界能源的重要组成之一,但其乏燃料后处理一直是需要解决的问题。而加速器驱动次临界系统即ADS是未来乏燃料处理的最有效方法之一。ADS系统利用散裂靶发生散裂反应产生中子驱动后端次临界核裂变反应堆嬗变乏燃料并提供能量。根据已有的固态靶与液态靶存在的一些问题,中科院近物所创新性的提出了密集颗粒流靶概念设计,利用颗粒物质本身特有性质综合了固态靶与液态靶的优点。另外核聚变能的利用是人类未来能源解决方案,但是核聚变所产生的巨大能量与极端环境对核聚变装置提出了十分严苛的要求,为了进行检测试验国际提出IFMIF项目,而中国也提出了小型高能高通量聚变材料研究用氘铍中子源的研究计划,利用加速器驱动的中子源提供检测环境,其对散裂靶的性能提出了更高的要求,结合CIADS的密集颗粒流靶的经验,研究团队提出了密集颗粒流斜槽流靶概念设计。在粒子物理学中中微子物理有着十分重要的地位,中微子物理实验需要高能μ介子束。中国高能物理学界提出了自己的高强度前沿实验:中基线μ子衰变中微子设施(MOMENT),这是继JUNO实验后中国下一代的中微子实验,也将使中国保持在中微子物理领域的领先地位。为了提高实验测量精度,最好的方法就是提高束流的强度,而且MOMENT靶的主要目标是获得次级粒子,所以与传统其他高功率散裂中子源相比,MOMENT装置中散裂靶靶体和靶站的工作环境更为复杂。相同功率要求下,MOMENT的靶体的热功率密度会高两个数量级,这对靶体方案的设计要求提出了极高的要求。结合CIADS的密集颗粒流靶的经验,研究团队提出了一种无容器瀑布型的颗粒流散裂靶概念。利用密集颗粒流作为束靶耦合材料可以实现线下换热,同时避免液态靶出现的流动不稳定、材料损伤、泄露等问题,是一类非常有潜力的靶型设计方案。作为一种新型设计,其流动稳定性是首要考虑的问题。本文主要研究了密集颗粒流靶靶体几何对其流动性影响,通过模拟和实验的手段对不同靶型的颗粒流动行为做了研究,评估了靶系统设计的可行性。主要包括三个方面:(1)设计实验研究了束流管道插入颗粒流中对颗粒流的影响。结果发现改变插入物的高度会导致颗粒流态从堵塞流过渡到表面流态再过渡到密集流流动。在插入物的下方,颗粒流动的自由表面可以视为一个斜坡。在密集流流态下,Beverloo定律在有插入物的情况下依然是有效的。随着流量的增加,自由面的坡度将趋于饱和;分析了自由面的速度分布;发现插入物与侧壁之间允许的距离可以略小于出口尺寸。而且,我们在这个实验装置中设计尺寸使之形成了一个表面流,并确定了颗粒流量与自由面斜率的线性关系。(2)通过模拟研究了加速密集斜槽流的流动性能。结果表明,在这种加速流中,速度和密度有轻微的波动,没有观测到表面波动。通过线性稳定性分析和李雅普诺夫指数计算,研究了流动的稳定性。研究结果表明了加速流的稳定性和稳固性,为加速流作为大功率靶的方案设计提供了依据。(3)对不同尺寸的颗粒瀑布靶颗粒流进行了数值模拟。对漏斗内和颗粒射流的颗粒流速度和体积分数的空间分布进行了研究。结果表明,在槽宽较小的情况下,速度随时间的变化几乎是恒定的,分布可以用高斯函数来预测。然而,当槽宽且流量高于Beverloo定律的预测值时,高斯分布预测就失败了。出口边缘的垂直速度波动较大。漏斗流中的体积分数也是恒定的,但在出口上方减小。在漏斗下方的颗粒射流中,当槽宽较小时,由于颗粒射流的弥散,体积分数会随高度迅速下降。而在槽宽较大的情况下,颗粒射流中存在致密的堆芯。该堆芯的速度和体积分数波动较小。研究了近年来的连续介质模型,结果表明该模型具有潜在的应用价值。论文最后对全文进行了总结并对进一步工作计划进行了展望。

陈康[5](2018)在《适用于快中子临界堆以及外源驱动次临界堆的系统安全分析程序开发》文中认为伴随着核能的发展,乏燃料的处理问题日益严峻。加速器驱动次临界系统(ADS)可以有效嬗变乏燃料中的长寿命高放射性核素,在国内外得到广泛关注与支持。国内的ADS研究已经从概念研究转至系统集成装置建设阶段,最终目标是建设大功率工业级应用装置。目前,国内对于ADS次临界堆的系统安全分析主要采用RELAP5程序,其中子学求解采用点堆模型,不适用于次临界系统,开发基于三维输运的核热耦合系统分析程序有其必要性。本文目标是开发和验证具有自主知识产权的三维核热耦合系统安全分析程序,目的是为ADS铅铋冷却次临界堆的安全分析和技术方案优化提供有效手段。论文工作中,首先自主开发系统热工水力学程序,并与确定论分析程序DAISY内耦合,形成三维核热耦合安全分析程序IMPC-transient。程序中建立了一套完整的主回路热工水力理论模型,包括:堆芯、换热器、腔室、管道、主泵等,采用有限体积法离散微分方程,利用高斯消元法或者雅可比迭代法求解代数方程组。程序采用Fortran语言开发,可在纯热工和核热耦合两种模式下运行,核热耦合模式下中子学模块可选择求解零维的点堆中子动力学方程,也可选择求解三维的中子输运方程。其次,由于铅铋冷却次临界堆缺乏相关实验数据,所以在程序中进一步添加液态金属钠的相关模块,并用EBR-Ⅱ失流事故基准题SHRT-17和SHRT-45R验证IMPC-transient程序。分析过程中,用IMPC-transient程序建立EBR-Ⅱ计算模型,并将计算结果与测量值和其他机构的计算值进行对比。结果显示,IMPC-transient程序的计算结果与多数测量值符合较好,少数偏差较大的数值也与其他机构的计算结果在同一水平范围内,IMPC-transient在纯热工和核热耦合两种模式下运行正确可靠。然后,应用IMPC-transient对7.5 MW铅铋冷却次临界堆进行了瞬态安全分析。建立7.5 MW次临界堆三维核热耦合计算模型,并对稳态工况以及有保护失流、无保护失流、无保护束流超功率、Beam-trip等四种瞬态工况进行计算分析。计算结果显示,在稳态工况下该方案的中子通量、功率密度、流速、温度等关键参数分布合理,该方案的稳态设计可靠;在四种不同瞬态工况下,燃料、包壳、冷却剂的最高温度均在安全限值范围内,在时间间隔为1秒的Beam-trip工况中包壳温度变化较小,该方案在这四种瞬态工况下是安全的。最后,为进一步研究靶堆之间的传热影响,借鉴拉格朗日法的思想,提出一种可对颗粒靶靶区温度场进行快速计算的理论模型,利用MATLAB完成计算程序的开发,并用该程序计算2.5 MW颗粒靶方案的温度场,用Fluent校核计算结果。结果显示:程序计算的温度场与Fluent计算结果符合较好,靶区与堆区之间可以认为热解耦。

麻礼东[6](2018)在《密集颗粒流靶中几个关键科学问题的研究》文中认为中子源对材料科学、核能工程的发展有着重要的影响。不同的应用对中子源有着不同的要求。加速器驱动的次临界系统(ADS,Accelerator Driven Sub-critical system)作为未来核乏燃料处理最有效的手段之一,其主要靠散裂中子源为其提供外源中子,而它对散裂中子源提出了新的要求;核聚变能作为最清洁、最高效的能源被认为是人类发展的终极能源,核聚变发展中结构材料等的检测研究需要中子辐照环境,而加速器中子源是最好的选择,作为聚变中子辐照用中子源,其对靶系统提出了更高的要求;为了应对ADS散裂中子源以及聚变材料辐照中子源中靶系统面临的新问题,结合已有的固体靶以及液体靶设计经验,我们的研究团队提出了密集流颗粒靶,其相比固体靶和液体靶在热移除性能、流动稳定性、结构材料腐蚀、靶材料泄漏等方面都具有相应的优势。作为一种新型的中子源靶设计,其带了很多优势的同时,也存在几个问题:堵塞、耦合、磨损。本文针对密集颗粒流靶中出现的堵塞、束靶耦合、壁面磨损等工程科学问题,进行了初步的物理分析。颗粒流靶系统中颗粒堵塞问题是颗粒流靶设计中的关键问题之一,靶区颗粒堵塞会造成持续性束流能量沉积导致靶材熔化毁坏的重大事故。所以研究颗粒在靶区的流动堵塞行为对于散裂靶运行安全是十分重要的。颗粒物质与液体、气体等流体物质最大的区别在于其颗粒承受一定的前切力,所以在特定的外界条件下可以表现出固态、液态甚至气态等不同的性质。密集颗粒流靶设计中颗粒是在重力驱动下流动的,但是由于靶型、靶区状态等影响,其发生堵塞的可能性是存在的。文中,我们通过离散元数值方法,对不同靶型中颗粒流动堵塞行为进行了详细的研究,发现对于漏斗开口尺寸和漏斗锥角而言,均存在一个临界值使得系统不发生堵塞;对于坍塌规模,发现峰值左边呈现幂函数上升形式,峰值右边呈现指数衰减趋势,与前人的研究结果一致。束流-颗粒流靶耦合也是颗粒流靶系统中关键问题之一。颗粒流靶因其自身优点而作为新的ADS散裂靶候选方案。但是提出来的只是概念设计,验证这种靶型的可行性是十分必要的,尤其颗粒流靶-束流耦合的可行性是关键。文中报道了第一台束靶耦合验证实验系统,详细介绍了耦合实验装置的关键组成部件,同时报道了电子束流耦合实验结果。结果显示目前耦合靶段的几何设计是可行的,靶段耦合区颗粒流动稳定,颗粒近乎密堆积流动,符合预期结果。束流辐照实验显示,静态辐照时,颗粒会迅速升温,在当前束流条件下最高温度可达500℃;动态束流耦合实验结果显示,流化的颗粒确实能保证束流耦合区颗粒温度降低,动态实验中颗粒最高温升约7℃,验证了流动的密集颗粒作为热移除介质的可行性;通过离散元方法对相同靶型进行了数值研究,颗粒流量、靶区堆积率都与实验相符合;同时发展了颗粒间接触传热模型,应用于离散元方法中,模拟了束流加载情况下,颗粒温度分布情况;颗粒流靶系统中遇到的另一问题是:颗粒流动过程对系统结构件壁面的磨损。壁面磨损情况是系统运行寿命及结构成本的决定性因素,了解颗粒对壁面的磨损过程对颗粒流靶十分重要。文中通过开发的PIC颗粒流程序,在颗粒-壁面磨损是由颗粒对壁面碰撞导致的假设前提下,建立了简单的碰撞磨损模型,并应用于PIC程序中。通过该程序模拟研究了不同颗粒、壁面参数(主要通过碰撞角权重函数、颗粒-壁面碰撞动量恢复系数体现)对不同结构的漏斗靶的磨损情况,同时简单分析了稀疏相颗粒对弯管的碰撞磨损情况。对锥角为30°和45°两种靶型模拟结果显示,同样条件下,锥角大的靶型磨损比锥角小的靶型要大,对于同种靶型,底部锥形壁面的磨损要比圆柱壁面的磨损要大;两种靶型中,磨损最严重的都在漏斗出口边缘;加速器驱动先进核能系统(Accelerator Driven Advanced Nuclear System,ADANES)中提出干式贫富稀土相分离思路,其对未来ADS先进核能系统具有重要意义。文中采用射流分级技术,对不同粉末进行了分级分离实验研究,研究发现射流分级技术可以很好的实现大颗粒(粗粉)去除,可以实现粉末颗粒粒径分级分离;应用多相流方法进行了射流分级模拟分析,针对实验中射流分级机关键部件进行了模拟研究,模拟结果显示射流分级机可以实现粉末粒径分级分离,并注意到密度对分级效果有影响。

谭铭[7](2018)在《基于混合优化算法的ADS束窗结构研究》文中研究指明针对当前化石能源的开采利用导致资源枯竭风险和环境恶化的问题,作为一种清洁丰富的新能源,核能得到各国政府的重视,并得到不断地推动发展。核能利用中亟需解决的问题包括:核废料的处理、核电站的安全和铀矿的利用率。为了解决这些问题,20世纪80年代后期,一种清洁、安全、高效的先进核能系统——加速器驱动次临界系统(ADS)得到研究者的广泛关注。ADS由质子加速器、次临界反应堆和散裂靶三部分构成,通过加速器产生高能质子束轰击散裂靶的重核元素,产生中子维持次临界反应堆的链式反应。ADS在具备固有安全性的同时实现了核废料的有效嬗变和铀资源的充分利用,是实现核能可持续发展的一条创新型路线。散裂靶作为耦合加速器和反应堆的重要部件,内部存在很高的热负荷,面临着严重的散热问题。本文以有窗散裂靶为研究对象,尝试从热工流体分析角度研究ADS束窗的结构最优化问题,将最速降线运用于束窗结构设计来提高靶区换热能力并降低束窗最高温度。为此本文先研究了一类含粘性力的最速降线问题,在比较三种最速降线求解方法的基础上选择变分法进行求解。采用变分法分析该问题,最终需数值求解一组非线性方程。若使用牛顿迭代法求解,在高粘性系数情况下存在难以选取合适的迭代初值的问题,因此本文将方程组求解问题转化为一个最优化问题并比较了4种最优化算法在该问题上的计算效率,结果显示粒子群算法优于其它三种算法,并且在高粘性系数情况下优于牛顿迭代法,但在有限算力下仍难以获取收敛解。因此本文引入亚松弛迭代并将牛顿迭代法和粒子群算法结合,设计了一种新型混合优化算法——多阶段启发式算法(MHA),彻底解决了含粘性力最速降线的求解问题。采用最速降线对三类经典束窗结构进行优化和设计,结果同时降低了束窗最高温度、流体最高温度和流体最大速度。在对比不同参数和轴向高度的最速降线束窗换热效率的基础上提出了相应的设计准则,并指出三类束窗结构中大倾角导向管的束窗结构换热效率远高于其他两种。对各类束窗的热物理量进行分析,发现最速降线束窗的平均对流换热系数和热通量较初始设计有所提升。

胡亮,张亚培,苏光辉,田文喜,秋穗正[8](2017)在《基于DEM的重金属颗粒流靶区输运过程研究》文中进行了进一步梳理基于固体和液体散裂靶,近期国内外研究学者提出了一种新概念重金属颗粒流散裂靶。加速器驱动次临界系统(ADS)中重金属散裂靶在高能质子轰击作用下,出现能量沉积现象,而这些热量必须进行有效冷却以保证ADS的安全性。本文针对这种新概念颗粒流靶对靶区产生的高额热量的导出效果进行了模拟分析。首先采用蒙特卡罗程序计算450 Me V质子束轰击钨靶后能量沉积的空间分布,并将此作为颗粒流的体热源输入,基于计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)耦合方法对ADS靶区两种不同直径颗粒流的输运过程进行了模拟研究。结果表明,随颗粒直径的减小,靶区内温度分布更为均匀,颗粒流的流动特性更接近流体,颗粒导热性能增强;颗粒流靶中热应力可局限在单个颗粒内部而承受更高的能量沉积,具有更高的安全限值以及更广阔的应用前景。

秦雪,王锋[9](2017)在《无窗散裂靶液态铅铋合金的流动特性和热输运数值研究》文中研究指明散裂靶作为加速器驱动次临界系统(ADS)的核心部件,其设计是ADS研究中的关键技术问题之一。该文采用计算流体力学程序CFX对欧洲MYRRHA无窗散裂靶进行数值模拟分析,采用-湍流模型、Cavitation模型和VOF界面捕捉方法,研究了液态铅铋合金(LBE)及其蒸汽两相含气蚀相变的流动特性,分析了不同流体入口速度和出口压力下靶区冷却剂稳定自由界面的形态特征。采用MCNPX程序和CFX程序模拟无窗靶内具有稳定流动界面时高能质子束轰击靶核的热输运过程,计算得到了稳定状态下无窗散裂靶区内的温度场分布,为无窗散裂靶冷却设计的分析提供了一定的参考价值。

刘洋[10](2017)在《颗粒流散裂靶流动及传热性能的实验模拟研究》文中指出散裂靶是加速器驱动次临界系统(ADS)的重要组成部分,颗粒流靶是最新自主提出的一种新型高功率散裂靶,颗粒流靶兼顾固态靶和液态靶的优点,颗粒流无普通流体的流体力学不稳定性,也减缓了靶结构材料腐蚀效应,物理上具有承载更高束流功率的潜力。为了颗粒散裂靶在ADS系统上的运用,相关颗粒流流动和传热物理研究非常必要,尤其是靶区内部和颗粒换热器内部的流动和传热,对颗粒流散裂靶的设计及优化有非常重要的意义。本论文以颗粒流小流量循环系统为基础,进行了倾斜段管道的倾斜角度对三维颗粒流从堵塞流向密集流转变的实验测量,以及密集流-稀疏流的转变对于靶区实验段流量的影响实验研究,结合靶区几何模型的数值模拟分析,发现倾斜角度大于22°颗粒流为密集流可以从倾斜管道顺利流出,而且倾斜角度对颗粒的流速有一定的影响,在类漏斗流的模型中密集状态颗粒流在重力驱动下的流量可以用Beverloo经验公式进行工程预估。针对颗粒流散裂靶样机系统中应用的板式换热器,建立几何模型采用CPFD软件进行数值模拟分析,研究颗粒在板式换热器中的流动及换热过程,结合换热器样机单体宏观实验测量结果,表明换热器入口的换热板对该类换热器的颗粒质量流量没有影响,流动状态为密集流态,其质量流量还是可以通过Beverloo的经验公式进行估算。在保证颗粒流在板式换热器中密集流态的条件下,进一步对换热器的换热过程和换热性能进行了模拟研究。结果表明:考虑颗粒-气体整体与壁面之间的传热过程,在不考虑辐射传热及恒温壁面条件下,若颗粒流速在0.068m/s时,颗粒流板式换热器的平均有效换热系数约为81.43W/(㎡*K),每个换热单层单元颗粒的进出口温差约为28K;换热器模型中,同一高度上颗粒温度的横向分布与通道位置有关,中间位置的颗粒温度变化小于两边位置颗粒相温度变化;轴向颗粒相温度由进口到出口逐渐下降,最后颗粒相达到稳定的温度。模拟还发现颗粒流流速越小,颗粒相进出口温差越大。

二、ADS靶区流场的数值模拟(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、ADS靶区流场的数值模拟(论文提纲范文)

(1)CiADS铅基反应堆堆芯流量分配设计与优化(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景及研究意义
    1.2 堆芯流量分配国内外研究现状
        1.2.1 实验研究
        1.2.2 数值研究
    1.3 研究内容
第2章 反应堆结构
    2.1 堆本体结构与堆芯布置
    2.2 燃料组件结构
        2.2.1 燃料组件下管座段
        2.2.2 燃料组件上管座段
        2.2.3 燃料组件棒束区
第3章 燃料组件计算模型介绍
    3.1 CFD方法简介
    3.2 CFD方法控制方程
    3.3 多孔介质方法简介
    3.4 CFD计算流程及软件介绍
        3.4.1 CFD软件介绍
        3.4.2 CFD计算流程
    3.5 燃料组件模型介绍
        3.5.1 组件下管座段模型简介
        3.5.2 组件上管座段模型简介
        3.5.3 燃料组件活性区模型介绍
    3.6 网格设定
第4章 燃料组件阻力特性计算结果与分析
    4.1 下管座段阻力特性
    4.2 上管座段计算结果
    4.3 燃料组件棒束区阻力特性
第5章 堆芯流量分配特性研究
    5.1 堆芯部件模型介绍
        5.1.1 孔板类部件模型介绍及简化
        5.1.2 管束类部件模型介绍及简化
        5.1.3 圆管类部件模型介绍及简化
        5.1.4 燃料组件下、上管座段简化
        5.1.5 主泵模型介绍及简化
    5.2 堆芯模型介绍
    5.3 堆芯网格设定
    5.4 堆芯计算结果分析
        5.4.1 堆芯流量分配计算
        5.4.2 堆芯固体物性参数
        5.4.3 组件冷却剂温升计算
        5.4.4 堆芯流场及温度场特性分析
第6章 结论与展望
    6.1 结论与创新点
    6.2 展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

(2)密集颗粒流靶换热问题研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 核能介绍
    1.2 散裂中子源及密集颗粒流靶
        1.2.1 散裂中子源
        1.2.2 高功率靶的发展
        1.2.3 ADS密集颗粒流靶
        1.2.4 CMIF密集颗粒流靶
    1.3 密集颗粒流靶面临的传热问题及研究现状
        1.3.1 密集颗粒流靶传热问题
        1.3.2 密集颗粒流传热研究现状
    1.4 本章小结
第2章 研究方法
    2.1 数值模拟方法
        2.1.1 颗粒系统
        2.1.2 离散元(DEM)方法
    2.2 实验装置介绍
    2.3 本章小结
第3章 密集颗粒流单管传热实验研究
    3.1 实验介绍
        3.1.1 颗粒流量的控制
        3.1.2 测量方法
        3.1.3 实验流程
        3.1.4 理论模型
    3.2 实验结果及分析
        3.2.1 壁面温度的影响
        3.2.2 不同流量的影响
        3.2.3 不同气体组分的影响
        3.2.4 壁面材料的影响
    3.3 本章小结
第4章 紧凑型铍颗粒流中子源(CMIF)模拟研究
    4.1 斜槽流靶的概念
    4.2 斜槽颗粒流的稳定性研究
    4.3 中子学计算
    4.4 靶体的热沉积与温升
    4.5 背板的冷却和辐照损伤
    4.6 本章小结
第5章 CMIF冷态样机设计与关键部件实验
    5.1 CMIF冷态样机设计
        5.1.1 提升机设计
        5.1.2 斜槽靶室设计
        5.1.3 换热器设计
    5.2 CMIF冷态样机关键部件实验
        5.2.1 斜槽颗粒流动实验
        5.2.2 颗粒换热实验
        5.2.3 局部热加载实验
        5.2.4 样机长时运行实验
    5.3 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 主要工作与结论
    6.2 展望
参考文献
附录1 符号说明
附录2 热电偶参数
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的论文及研究成果

(3)基于扩散界面法的ADS液态无窗散裂靶数值研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 散裂靶国内外研究现状
        1.2.1 固态散裂靶
        1.2.2 颗粒流散裂靶
        1.2.3 液态有窗散裂靶
        1.2.4 液态无窗散裂靶
    1.3 两相流数值模拟方法
        1.3.1 体积分数法
        1.3.2 水平集法
        1.3.3 扩散界面法
    1.4 本文主要研究内容
第二章 数值方法及湍流模型计算分析
    2.1 数学物理模型
        2.1.1 基本控制方程
        2.1.2 扩散界面法数学模型
    2.2 湍流模型介绍
        2.2.1 k-ε模型
        2.2.2 k-ω模型
        2.2.3 SST模型
        2.2.4 Spalart-Allmaras模型
    2.3 计算区域与计算网格
        2.3.1 几何模型与边界条件
        2.3.2 网格无关性验证
    2.4 各不同湍流模型分析
        2.4.1 各不同湍流模型计算对比
        2.4.2 各不同湍流模型的流动分析
        2.4.3 各不同湍流模型的湍流分析
    2.5 本章小结
第三章 液态无窗散裂靶水模化数值模拟
    3.1 动态平衡判断和模型验证
    3.2 水模化的水力计算分析
        3.2.1 无窗散裂靶内的流动特性
        3.2.2 出口压力对自由界面的影响
        3.2.3 出口压力对回流区长度的影响
        3.2.4 入口速度对自由界面和回流区的影响
    3.3 本章小结
第四章 液态铅铋合金无窗散裂靶数值研究
    4.1 液态铅铋合金自由界面数值计算
        4.1.1 数值模型和物性参数
        4.1.2 网格无关性验证
        4.1.3 结果及分析
    4.2 液态铅铋合金热输运数值模拟
        4.2.1 数学物理模型
        4.2.2 热输运计算模型
        4.2.3 结果与分析
    4.3 本章小结
结论与展望
    主要内容与结论
    创新之处
    不足和展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

(4)颗粒流靶靶体几何对流动性影响的研究(论文提纲范文)

摘要
abstract
第1章 引言
    1.1 散裂中子源
    1.2 高功率散裂靶的发展
    1.3 密集颗粒流靶的发展
    1.4 密集颗粒流、射流研究进展
    1.5 论文主要内容与结构
第2章 颗粒流数值模拟方法
    2.1 接触模型
    2.2 离散元方法
    2.3 连续介质力学方法
    2.4 小结
第3章 准二维漏斗流颗粒流动性的研究
    3.1 背景
    3.2 实验参数设置
    3.3 各种参数对颗粒流动的影响
    3.4 小结
第4章 斜槽颗粒流靶的数值模拟研究
    4.1 背景
    4.2 简化模型与模拟条件
    4.3 结果分析与讨论
        4.3.1 改变参数对颗粒流的影响
        4.3.2 颗粒流稳定性分析
    4.4 小结
第5章 颗粒瀑布靶流动性的数值研究
    5.1 背景
    5.2 数值模拟模型
    5.3 结果分析与讨论
        5.3.1 漏斗流区域
        5.3.2 射流区域
        5.3.3 连续介质模拟与DEM对比
    5.4 小结
第6章 结论与展望
    6.1 主要结论
    6.2 下一步工作计划
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

(5)适用于快中子临界堆以及外源驱动次临界堆的系统安全分析程序开发(论文提纲范文)

摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 系统安全分析程序开发研究现状
        1.2.2 ADS中次临界堆系统安全分析研究现状
    1.3 研究内容与论文组织结构
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 论文组织结构
第2章 程序原理与程序开发
    2.1 基础理论模型
        2.1.1 堆芯模型
        2.1.2 换热器模型
        2.1.3 管道与腔室模型
        2.1.4 主回路冷却剂流量以及主泵模型
        2.1.5 换热与压降模型
        2.1.6 物性参数
    2.2 方程离散与求解
    2.3 程序开发
        2.3.1 程序结构
        2.3.2 整体计算流程
        2.3.3 系统热工水力计算流程
        2.3.4 核热耦合计算流程
    2.4 本章小结
第3章 EBR-Ⅱ基准题验证及分析
    3.1 EBR-Ⅱ基准题SHRT-
        3.1.1 计算模型
        3.1.2 结果分析
    3.2 EBR-Ⅱ基准题SHRT-45R
        3.2.1 计算模型
        3.2.2 结果分析
    3.3 本章小结
第4章 IMPC-transient在次临界堆系统瞬态安全分析中的应用
    4.1 7.5 MW加速器驱动次临界堆设计方案
    4.2 计算模型
        4.2.1 系统热工水力计算模型
        4.2.2 堆芯中子学确定论计算模型
    4.3 稳态结果分析
    4.4 瞬态结果分析
        4.4.1 有保护失流工况
        4.4.2 无保护失流工况
        4.4.3 无保护束流增强工况
        4.4.4 beam-trip工况
    4.5 本章小结
第5章 ADS次临界堆靶堆耦合热边界条件研究
    5.1 程序原理与程序开发
        5.1.1 程序基本原理
        5.1.2 有效导热模型
        5.1.3 方程离散与数值算法
        5.1.4 轴向导热修正
        5.1.5 程序开发
    5.2 10MW ADS方案中颗粒靶计算结果验证与分析
    5.3 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

(6)密集颗粒流靶中几个关键科学问题的研究(论文提纲范文)

摘要
abstract
第1章 引言
    1.1 散裂中子源
    1.2 高功率散裂靶
        1.2.1 ADS与密集颗粒流靶
        1.2.2 ITER与紧凑型中子源密集颗粒流靶
    1.3 论文研究内容及结构
第2章 颗粒流数值计算方法
    2.1 颗粒系统
    2.2 离散元方法
        2.2.1 离散元方法的发展
        2.2.2 软球模型(Soft-SphereModel)
        2.2.2.1 运动方程
        2.2.2.2 接触模型
    2.3 Particle-in-Cell(PIC)方法
        2.3.1 PIC方法发展
        2.3.2 PIC数值模型
        2.3.3 颗粒流PIC程序验证
        2.3.3.1 漏斗卸料过程
        2.3.3.2 U形管填料过程
        2.3.3.3 漏斗流流量预测
    2.4 本章小结
第3章 密集颗粒流靶系统中堵塞问题研究
    3.1 颗粒堵塞问题概述
    3.2 本章研究内容
    3.3 数值模拟模型
    3.4 研究结果与讨论
        3.4.1 坍塌规模的概率分布
        3.4.2 临界开口尺寸
        3.4.3 漏斗锥角的影响
    3.5 本章小结
第4章 密集颗粒流靶系统中束靶耦合问题研究
    4.1 束靶耦合问题概述
    4.2 粒子束热沉积物理及颗粒体系传热简述
        4.2.1 粒子束热沉积物理过程
        4.2.2 颗粒体系传热简述
    4.3 电子束-颗粒靶耦合验证实验台架简介
        4.3.1 束靶耦合段
        4.3.2 颗粒热移除系统
        4.3.3 颗粒提升系统
    4.4 电子束辐照实验结果分析与讨论
    4.5 电子束耦合模拟研究
    4.6 本章小结
第5章 密集颗粒流靶系统中壁面碰撞磨损的研究
    5.1 颗粒-壁面碰撞磨损研究现状
        5.1.1 影响颗粒-壁面碰撞磨损的参数
        5.1.2 颗粒-壁面碰撞磨损计算模型
    5.2 数值分析模型
        5.2.1 颗粒流PIC程序中磨损模型的实现
        5.2.2 数值计算参数
    5.3 结果分析与讨论
        5.3.1 漏斗靶磨损情况
        5.3.1.1 颗粒流动情况
        5.3.1.2 锥角对磨损影响
        5.3.1.3 壁面属性对磨损的影响
        5.3.1.4 颗粒-壁面碰撞动量恢复系数对壁面磨损的影响
    5.4 弯管中磨损情况
    5.5 本章小结
第6章 粉末颗粒干法气力分级技术初步研究
    6.1 研究背景
    6.2 射流分级技术
    6.3 结果分析与讨论
        6.3.1 实验系统
        6.3.2 模拟燃料分离实验结果
        6.3.2.1 Sm_2O_3和WO_3混合模拟燃料分离实验
        6.3.2.2 Al_2O_3和WO_3混合模拟燃料分离实验
        6.3.2.3 Nd_2O_3和UO_2混合高温处理后分离实验
        6.3.3 模拟燃料分离模拟结果
        6.3.3.1 模拟方法介绍
        6.3.3.2 模型及模拟参数
        6.3.3.3 粒径对分离结果的影响
        6.3.3.4 密度对分离结果的影响
    6.4 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 主要工作及结论
    7.2 相关工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

(7)基于混合优化算法的ADS束窗结构研究(论文提纲范文)

摘要
abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景
    1.2 研究现状
        1.2.1 发展历史
        1.2.2 实验和数值模拟研究
    1.3 研究内容和意义
第2章 理论基础
    2.1 计算方法
        2.1.1 控制方程
        2.1.2 湍流模型
        2.1.3 数值求解方法
    2.2 最速降线求解方法
        2.2.1 离散点近似法
        2.2.2 最优化控制法
        2.2.3 变分法
    2.3 最优化算法
        2.3.1 模拟退火算法
        2.3.2 禁忌搜索算法
        2.3.3 遗传算法
        2.3.4 粒子群算法
第3章 混合优化算法设计
    3.1 搜索域
    3.2 最优化算法计算效率对比
    3.3 粒子群算法与牛顿迭代法对比
        3.3.1 计算效率对比
        3.3.2 牛顿迭代法收敛域
        3.3.3 粒子群算法收敛速度
    3.4 混合优化算法
        3.4.1 改进思路
        3.4.2 算法设计
    3.5 本章小结
第4章 ADS束窗结构优化设计
    4.1 建模
        4.1.1 模型参数
        4.1.2 最速降线选取方案
        4.1.3 网格无关性分析
    4.2 优化
        4.2.1 问题描述
        4.2.2 结果分析
        4.2.3 最速降线参数选取准则
    4.3 设计
        4.3.1 问题描述
        4.3.2 结果分析
        4.3.3 轴向高度选取准则
    4.4 本章小结
第5章 结论与展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

(8)基于DEM的重金属颗粒流靶区输运过程研究(论文提纲范文)

1 物理模型
    1.1 CFD模型
    1.2 DEM模型
2 靶区模型
3 能量沉积计算
4 初始条件和边界条件
5 结果分析
6 总结

(9)无窗散裂靶液态铅铋合金的流动特性和热输运数值研究(论文提纲范文)

1 物理模型
2 数值方法
3 结果分析
    3.1 入口流速的影响
    3.2 出口压力的影响
    3.3 靶区内流体的热输运特性
4 结论

(10)颗粒流散裂靶流动及传热性能的实验模拟研究(论文提纲范文)

致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 ADS系统与散裂靶
        1.1.1 ADS的发展
        1.1.2 颗粒流散裂靶的优势
    1.2 颗粒流物质与颗粒流
        1.2.1 颗粒流的研究进展
        1.2.2 气固两相流研究
        1.2.3 Beverloo方程
        1.2.4 重力驱动下颗粒的流动
        1.2.5 颗粒体系的传热性质
    1.3 颗粒流模拟方法
        1.3.1 EDEM数值模拟
        1.3.2 Barracuda数值模拟
    1.4 本文研究内容和意义
第二章 颗粒流靶靶区实验段实验测量及数值模拟
    2.1. 颗粒流靶靶区实验段的实验测量
    2.2. 实验方法及结果
        2.2.1. 颗粒流量与管道倾斜角度的关系
        2.2.2. 颗粒流量与频率的变化关系
        2.2.3. 实验测得典型稀疏流与密集流
    2.3. 颗粒流散裂靶区实验段的CPFD数值模拟
        2.3.1. CPFD模拟方法校验
    2.4. 本章小结
第三章 换热器的流动与换热数值模拟研究
    3.1 板式换热器的介绍
    3.2 颗粒流板式换热器的流动性能模拟研究
        3.2.1 颗粒流板式换热器的三通道流动模拟研究
        3.2.2 颗粒流板式换热器的大尺寸流动模拟研究
    3.3 颗粒流板式换热器的换热性能模拟研究
        3.3.1 颗粒流板式换热器的三通道换热模拟研究
        3.3.2 颗粒流板式换热器大尺寸换热模拟
    3.4 本章小结
第四章 结论与展望
    4.1 本文主要结论
        4.1.1. 颗粒流态研究结论
        4.1.2. 颗粒传热性能研究结论
    4.2 研究工作展望
参考文献
作者简历及发表论文

四、ADS靶区流场的数值模拟(论文参考文献)

  • [1]CiADS铅基反应堆堆芯流量分配设计与优化[D]. 文俊. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2021(01)
  • [2]密集颗粒流靶换热问题研究[D]. 陶科伟. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2020(01)
  • [3]基于扩散界面法的ADS液态无窗散裂靶数值研究[D]. 林显斌. 华南理工大学, 2020(02)
  • [4]颗粒流靶靶体几何对流动性影响的研究[D]. 王梦柯. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2020(01)
  • [5]适用于快中子临界堆以及外源驱动次临界堆的系统安全分析程序开发[D]. 陈康. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2018(09)
  • [6]密集颗粒流靶中几个关键科学问题的研究[D]. 麻礼东. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2018(01)
  • [7]基于混合优化算法的ADS束窗结构研究[D]. 谭铭. 清华大学, 2018(04)
  • [8]基于DEM的重金属颗粒流靶区输运过程研究[J]. 胡亮,张亚培,苏光辉,田文喜,秋穗正. 原子能科学技术, 2017(06)
  • [9]无窗散裂靶液态铅铋合金的流动特性和热输运数值研究[J]. 秦雪,王锋. 科技创新导报, 2017(17)
  • [10]颗粒流散裂靶流动及传热性能的实验模拟研究[D]. 刘洋. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2017(01)

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ADS目标区域流场数值模拟
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