ADS无窗靶件自由界面模拟实验和数值研究

冷却剂自由界面形态的形成和控制是加速器驱动的次临界系统(ADS)无窗靶件设计的关键技术之一。采用水介质对无窗靶件模型的自由界面特征进行了实验和数值研究。实验中采用激光诱导荧光的示踪方法实现了流场的可视化,得到Re=30000～50000范围内的自由界面和可视化流场。在高Re工况下,流场中出现大尺度的非稳定涡结构,随着Re的降低,流场中涡结构的紊乱程度增加。分别采用大涡模型（LES）和两方程动能-特征耗散率模型（kω-SST）对无窗靶件实验工况进行了数值分析,计算结果表明,LES能较好地模拟实验中所得的流场现象和界面特征。     

基于扩散界面法的ADS无窗散裂靶自由界面数值研究

采用水作为模拟工质,用扩散界面法和有限元法以及k-ε湍流模型对无窗靶件的自由界面非稳态特性进行数值模拟。结果和实验吻合较好,表明扩散界面法能准确地进行模拟,并且结果表明流场中存在一个回流区以及中心线沿程压力存在一个谷值和峰值。通过计算不同出口背压下的自由界面的形状和高度,获得出口压力对界面稳定性的影响,同时计算不同出口背压对回流区长度的影响以得到增大无窗靶的热移出能力的规律,结果表明:出口背压在900Pa以上,自由界面较稳定,不会产生明显的气泡,出口背压越大,自由界面越稳定,高度越高;同时,出口背压越大,回流区的高度越低,热移出能力越强。     

上旋式无窗散裂靶件自由界面数值研究

无窗散裂靶件是加速器驱动的次临界系统的重要组成部分。为了使靶件维持稳定的自由界面并具有良好的热移出功能,本文提出一种上旋式无窗靶件设计,以水为工质,采用ANSYS Fluent软件对该靶件设计进行数值模拟。结果表明,该结构散裂靶件能较好地维持稳定自由界面,不会出现漩涡滞止区,并得到不同入口流速对自由界面形状、流场特征及压降的影响。     

无窗散裂靶自由界面流动水力特性研究

自由界面形成和控制是加速器驱动的次临界系统(ADS)无窗靶研究的重要内容。本文通过水模拟实验,结合360°全尺度模拟计算,验证了自由界面的特征主要受入口速度和出口压力控制,得到了自由界面长度随入口速度增大而二次递减、随出口压力增大而线性递减的结论。对流场的结构和特征进行了研究,说明了漩涡区域对自由界面流动的影响。采用VOF界面追踪方法、大涡湍流模型(LES)以及PISO算法进行瞬态模拟计算,计算得到的自由界面流动和流场结果均与实验结果符合较好,表明计算模型和方法可用于液态重金属靶的流体力学计算。     

基于流场数值模拟的ADS靶件结构的设计优化

采用通用的计算流体力学（CFD）软件PHOENICS 3．3和BFC计算网格生产技术，对加速器驱动次临界系统（ADS）靶件的流场进行数值模拟计算。结果表明：束窗下方导流板起引导流体沿束窗表面流动的作用，消除了束窗两侧下方较大的旋涡，对于改善束窗附近流体的流动结构、提高束窗表面及散裂靶的换热，效果显著。     

加速器驱动系统靶区流场的数值模拟

在加速器驱动系统（ADS）中,真空质子束流管出口端为一半球面质子束窗,用于隔离束流管和散裂靶。质子束窗表面热负荷很高,有效冷却质子束窗,从而提高靶件寿命和系统安全性是靶件设计的关键。 采用PHOENICS 3.2程序对ADS靶件冷态下的流场进行数值模拟。在贴体坐标（BFC）下生成计算网格,对靶件束窗下方有无导流板时的靶区流场进行了计算。当体积流量为10m3/h时,流体向下流动进入中央流道（靶区）之前发生边界层脱离,并在质子束窗下方两侧形成一对对称的旋涡。两旋涡在靶区中央重叠,形成一股向上较强的回流。这股回流沿质子束窗     

ADS散裂靶件内部自由界面形态的数值模型分析

加速器驱动的次临界系统（ADS）内部的散裂靶件通过加速器装置耦合次临界堆芯。无窗靶件的设计需保证自由界面有着稳定且理想的形状,以避免液态重金属局部过热。为研究无窗靶件内部自由界面的形态,本工作基于开源CFD计算平台OpenFOAM,使用VOF（volumeoffluid）方法追踪自由界面,对无窗靶件内部自由界面的形态和特性进行数值模拟,并将结果与商用软件FLUENT计算结果和实验结果进行对比。同时比较多种湍流模型对计算的影响,推荐出较合适的湍流模型。     

液态金属镓回路搭建及无窗靶实验研究

液态金属回路是开展液态金属散裂靶关键技术与实验验证的必备实验平台。镓具有较低的熔点、非常高的沸点,且无毒性,可在液态金属回路实验中作为模拟介质使用。本文介绍了一套小型液态金属镓回路的设计思路、结构组件、基本功能及使用流程,给出了液态镓在变频离心泵驱动下强制对流的流量、压力、压差及无窗靶自由液面位置和形态的实验测量结果,并分析了压力、压差及自由液面位置随流量的变化关系。结果表明,无窗靶自由液面位置主要由流体压力和流速决定。     

激光驱动平面靶流体不稳定性及混合数值模拟研究

用LARED-S程序对二维激光烧蚀RT(Rayleigh-Taylor)不稳定性从线性增长到湍流混合进行了高分辨数值模拟。脉宽15ns的主脉冲激光驱动产生的混合区宽度达到250μm,混合区宽度与RT扰动截止波长比值为67。数值模拟得到了有关物理规律的认识。混合区宽度和扰动增长截止波长的比值决定了烧蚀RT混合的非线性程度。烧蚀对RT不稳定性混合产生明显的致稳作用,烧蚀RT混合区宽度比经典RT小一倍以上。用LARED-S程序进行了平面靶激光驱动减速阶段流体不稳定性及混合的高分辨数值模拟。内界面扰动经受二次聚心反射冲击的快速RM(Richtmyer-Meshkov)增长和持续的RT增长。减速阶段内界面同样存在很强的烧蚀致稳作用。一次冲击后内界面原先的小结构很快被磨平,二次冲击后烧蚀作用更强,截止波长增大到35μm,膨胀后期内界面保留了较大尺度的结构。     

液态铅铋实验平台无窗靶水力学原理验证实验段设计研究

液态铅铋合金无窗靶作为加速器驱动次临界系统(ADS)的核心部件之一,其主要技术难点之一在于液态合金自由液面的形成和控制,需要通过理论分析和实验验证。FDS团队正在开展ADS反应堆概念和液态铅铋堆芯综合模拟实验平台的设计和研制工作,无窗靶热工水力学原理验证实验段是综合实验平台中的重要组成部分。本文给出了无窗靶水力学原理验证实验段的设计目标和初步参数,对主要部件及实验方案进行了设计研究。     

ADS靶区流场的数值模拟

采用通用的CFD NHT软件PHOENICS 3 2和BFC计算网格生成技术 ,对ADS靶件束窗下方有无导流板两种靶件结构冷态下的流场进行数值模拟。描述了靶区流场数值模拟的方法 ,给出了流场数值模拟的结果     

蒸汽发生器一级汽水分离器内流场数值模拟

以压水堆核电厂蒸汽发生器一级汽水分离器为研究对象,采用基于计算流体动力学（CFD）的计算软件ANSYS Fluent对湿蒸汽进入汽水分离器后的流场特性和汽水分离性能进行模拟,在模拟过程中采用了欧拉多相流模型和k-ε Realizable湍流模型相结合的计算模型。对工质流经汽水分离器的模拟结果表明,在汽相与液相经由汽水分离器流至各自出口时,出现明显的分层现象。对比不同切向出口和不同液滴粒径下的模拟结果表明,出口面积越大,汽水分离器对液滴的分离效果越好;在0.01~0.10 mm的粒径范围内,液滴粒径越大,分离效果越好。对不同负荷条件下汽水分离器分离效率的模拟结果表明,分离效率随机组负荷升高略有降低。      

ADS靶区流场的数值模拟

采用通用的CFD/NHT软件PHOENICS 3.2和,BFC计算网格生成技术,对ADS靶件束窗下方有无导流板两种靶件结构冷态下的流场进行数值模拟。文章描述了靶区流场数值模拟的方法,给出了流场数值模拟的结果。     

Experimental Study on Wave Propagation Behavior on Free Surface of Lithium Flow for IFMIF

Velocity measurement of surface waves on high-speed liquid lithium (Li) flow was conducted by using the Li circulation loop at Osaka University to support target monitor and diagnostics applications for the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF). Free surface shapes were recorded with a high-speed video camera, and surface waves were tracked with the statistical correlations of image intensity patterns over a velocity range of 5 to 15 m/s. As a result, the velocity distribution of surface waves was measured. The development of surface velocity beyond the nozzle edge was clearly measured. The velocity measurement by this method might suffer from some influence from stationary waves, which were generated by a damaged nozzle edge. The measured velocity in a region free from stationary waves was seen to exceed the mean flow velocity, probably due to two-dimensional regular waves. For this case, the measured velocity may consist of the advection velocity of the Li flow and the phase velocity of the wave. For an irregular wave region, the measured velocity was shown to be approximately the same as the mean flow velocity. The present flow velocity measurement can be used in the high-velocity range where random waves are generated.     

压水堆下腔室流场对堆芯流场和温度场影响数值分析

利用三维数值模拟,对不同环腔厚度和环腔内冷却剂速度条件下,下腔室内冷却剂流场进行了计算。在此基础上,对压水堆流量孔板冷却剂流量的分配情况进行了分析,并找出了通过流量孔板通孔小组的冷却剂流量与平均流量的最小偏差。分别计算了最小偏差条件下与平均流量条件下,堆芯内板状燃料元件周围冷却剂的流场和温度场。发现由环腔厚度或环腔内冷却剂速度不同而引起的下腔室流场分布不均匀,对堆芯内冷却剂流场和温度场影响较大。