熔融铅锡合金与冷却剂相互作用热细粒化研究

堆芯熔融物与冷却剂相互作用(Fuel Coolant Interaction,FCI)是核反应堆严重事故下可能发生的严重问题之一。为进一步了解FCI现象及解明热细粒化过程的关键影响因素,本文通过可视化实验方法,采用铅锡合金模拟材料开展实验研究。采用高速摄像系统对反应过程进行图像采集,通过计算熔融物所占像素点的面积得到熔融物的截面积;收集反应碎片,从实验产物形貌、相互作用过程状态及熔融物周围气体分布三个方面对影响热细粒化过程的熔融物初始温度、质量及冷却剂温度展开研究。结果对比分析表明:熔融物温度升高,热细粒化程度先增加后减小;初始水体量一定的情况下,熔融物质量增加,可能导致熔融物细粒化程度降低;冷却剂过冷度增加,热细粒化程度增加。     

板壁水膜波动流动数值研究

板壁水膜流动特性是影响水膜二次携带的主要因素之一.通过数值方法对某一规格板壁表面水膜波动流动特性进行研究.在对水膜表面进行受力分析的基础上,得出了水膜自由表面的动力学边界条件,建立了板壁水膜波动流动的数学模型.连续性方程采用中心差分格式,动量方程采用迎风和中心差分混合的偏心差分格式,采用Simple算法对板壁水膜波动流动方程进行了求解,采用流体界面追踪法(VOF:Volume-of-Fluid)方法对水膜自由表面进行模拟追踪.计算结果表明,水膜在板壁中部的波动比其它部位剧烈,另外也发现入口扰动频率对水膜波动的影响程度要大于扰动振幅对水膜波动的影响.     

基于界面跟踪与两流体模型的耦合模型对金属液柱碎化的数值模拟

针对熔融物与冷却剂相互作用(FCI)过程中多尺度相界面共存的复杂流型,将基于流体体积法(VOF)的界面跟踪模型与两流体模型耦合在一套统一的数值求解框架下,得到一个新的多相流数值模型,可以模拟大尺度界面流体与小尺度界面流体共存的复杂多相流过程。该模型中,对于动量场,流体根据界面尺度分为连续相和离散相。连续相界面通过VOF/PLIC方法进行捕捉,离散相表面积浓度分布通过表面积输运方程模拟。耦合模型的控制方程通过MCBA-SIMPLE算法求解。使用该模型对金属液柱的流动和碎化过程进行模拟,并与实验观测结果进行对比,同时还对液柱碎化速率模型和金属液滴初始直径的影响进行了探讨。结果表明:原液柱碎化模型对液柱贯穿深度有所高估;金属液滴初始直径的选择将对熔融物的冷却效率造成显著影响。     

熔融液柱与冷却剂作用中液柱碎化预测

液柱碎化是熔融物和冷却剂相互作用(FCI)粗混合阶段的关键物理现象,在安全分析时需建立液柱碎化模型。本文将实验验证和理论分析相结合,开展了高温熔融液柱与冷却剂相互作用实验;建立了不同沸腾条件下的液柱表面膜态沸腾模型和液柱表面不稳定波生长模型;再考虑不稳定波断裂和熔融物的脱离,构建起完整的熔融液柱水力学碎化模型。用该水力学碎化模型对不同沸腾条件下的熔融液柱碎化行为进行了预测。预测结果表明,实验得到的碎片中位直径和碎裂长度与模型预测结果符合较好,且能进一步应用于典型反应堆原型材料FCI实验的液柱碎化预测。     

熔融物液柱碎化模型对先进压水堆堆外蒸汽爆炸计算的影响分析

在堆外蒸汽爆炸计算中,液柱碎化模型影响着熔融物液滴生成速率、液滴直径、液滴分布、液滴凝固和气泡比例等粗混合参数和现象,从而影响了蒸汽爆炸的冲击载荷。本文基于MC3D V3.8程序,采用不同的液柱碎化模型（CONST模型和KHF模型）对先进压水堆堆外蒸汽爆炸进行计算分析,探讨了CONST和KHF模型对蒸汽爆炸计算的影响。结果表明,两种模型计算的粗混合状态类似;在熔融物触底时刻,爆炸性准则几乎相同,此时触发爆炸得到的冲击载荷差别很小,表明该时刻触发爆炸时不同液柱碎化模型对爆炸冲击计算的影响较小;在本文所定义的工况下,先进压水堆堆坑墙体承受的最高压力约为20 MPa,最大冲量小于0.2 MPa•s。     

多维熔融物与冷却剂相互作用分析程序COSMETRIC的开发与验证

基于MCBA-SIMPLE算法开发了自主化的多维熔融物与冷却剂相互作用分析程序COSMETRIC。为验证该程序,针对熔融物与冷却剂相互作用实验KROTOS的典型工况进行了模拟计算。通过与KROTOS37实验结果对比,验证了程序模拟高温熔融物与冷却剂混合过程中熔融物液柱碎化、熔融物液滴迁移以及冷却剂蒸发的能力;通过与KROTOS21实验结果对比,验证了程序对蒸汽爆炸压力脉冲峰值及传播速度预测的合理性。在此基础上,对KROTOS21爆炸工况计算的初始空泡份额、熔滴水力学碎化无量纲时间和熔融物碎片初始直径等参数进行了敏感性分析,评估了这些参数对最终压力脉冲的影响。敏感性分析结果发现,较大的初始空泡份额会抑制压力峰值和传播速度;增大熔融物碎片初始直径和水力学碎化无量纲时间,会提升压力波传播速度,降低压力峰值。     

汽—液两相交界面直接模拟的无网络数值方法

本文提出了两相流动过程中移动交界面的无网格计算的数值方法。对任何的欧拉－拉格朗日计算而言,在这个方法中移动质点半隐式（MPS）方法与使用流动方向的局部栅格（MAFL）的无网格的水平对流相结合。移动界面直接在拉格朗日坐标上表示,而固定的边界诸如入口和出口流动用欧拉坐标计算。两相流动的相交界面可以通过气泡边界上的计算点得到清楚的计算。提出了一种使用半径曲率的表面张力的计算模型。成功地计算了由于表面张力造成的气泡体积减小。引进了具有可变内核体积的内核函数,从而允许存在局部的计算点浓度。使用可变内核体积模型解决了两维热扩散问题,结论与精确吻合得很好。对过热液体中的气泡产生过程使用所提出的方法进行了模拟。计算所得的气泡增长比与解析解吻合得很好。对粘性液体中增大的气泡形状也进行了两维模拟。估计的形状与实验结论表现出良好的一致性。     

堆芯熔融物对压力容器壁面烧蚀过程的数值模拟

研究堆芯熔融物对压力容器壁面的动态烧蚀,对于反应堆冷却剂严重丧失事故(Loss of coolant accident,LOCA)后果的预测以及缓解方案的设计具有重要意义。本文以AP600为研究对象,在假设冷却剂全部丧失事故工况下,采用堆芯熔融物两层结构模型,计算熔池对壁面的加热;建立压力容器壁面的非稳态二维传热模型,并考虑安全壳水池对压力容器外侧的冷却,采用移动边界模型模拟烧蚀引起壁面局部厚度变薄;计算了堆芯熔融物坍塌后15 000 s范围内,压力容器下封头壁面温度和厚度的变化。     

小型动力堆断电严重事故下熔融物分层对事故后果的影响研究

采用MELCOR程序,对小型动力堆全部电源丧失严重事故下,下封头失效后“堆坑”不同熔融物分层模型进行计算,并对熔融物分层对事故后果的影响进行了研究。结果表明：不同模型下熔融物的总厚度及其变化趋势基本一致;堆腔底板材料为混凝土时,堆芯熔融物的分层较为复杂,而金属材料相对简单。小型动力堆不会发生堆芯熔融物与混凝土相互作用(MCCI)。不同模型的计算对放射性后果基本无影响,但对“堆坑”熔穿进程有影响,强迫混合模型熔穿时间最快、机理计算模型熔穿时间最慢。从安全分析的角度,选择强迫混合模型较为保守。     

供料位置对离心机供料射流流场影响的数值模拟

为研究供料口位置对离心机供料射流流场的影响,采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法对离心机中心射流区域进行模拟。选择Iguassu离心机模型和变径硬球碰撞模型,得到了不同的轴向和径向供料位置下径向供料模型的供料射流流场参数分布情况。通过对模拟结果进行分析可得：在径向供料条件下,供料口附近区域的流场受供料条件的影响显著。由于供料射流的膨胀作用,导致了供料口附近低温区的出现。在靠近出流边界处,由于较高的角向速度,形成较大的压力梯度,使气体的径向速度降低,导致温度明显升高。轴向位置的变化导致流体参数的轴向平移。而随着供料口径向位置的增大,供料口附近的膨胀范围减小,低温区减弱,即该区域的最低温度升高。而近出流边界处,随供料口径向位置的增大,温度相应降低,径向速度同时降低。     

A Numerical Analysis of Molten Metal Drop and Coolant Interaction

The interaction of molten metal drop and coolant is numerically analyzed to investigate the mechanism of fragmentation in vapor explosion. The numerical study is carried out by using a developed simulation code based on multi-phase thermal hydraulic model, which includes physical phenomena required for the analysis: heat transfer, mass change, liquid evaporation and treatment of surface. Several computational techniques are also implemented to improve the efficiency and stability of the numerical scheme. The obtained numerical results show that the growth of spikes on the molten metal drop surface is similar to that observed in Ciccarelli's experiment. The numerical study suggests that quick growth of spikes is the essential mechanism of fragmentation, which is caused by Taylor instability.     

A Thermal Fragmentation Model Induced by Surface Solidification

A fragmentation phenomenon of a melt droplet induced by surface solidification has been studied for many years, but the fragmentation rate model, based on such a thermal mechanism, is not available for numerical simulation tools. In this study, in order to develop a fragmentation rate correlation of a melt droplet, induced by surface solidification, a thermal fragmentation mechanism is proposed, based on the Taylor instability. The theoretical fragmentation model is developed and a simplified non-dimensional correlation is proposed for convenient application to simulation tools. The developed fragmentation rate correlation is verified by simulating the MIXA experiment.     

液滴碰撞实验与数值模拟研究

通过实验研究与数值模拟相结合的方法研究了液滴碰撞现象,分析了液滴铺展和反弹现象,并讨论了液滴半径和表面张力系数对液滴运动过程的影响。结果表明:数值模拟结果与实验观察结果吻合较好,振荡强度随液滴半径的增加而减小,随碰撞速度的减小而增强;随表面张力系数的减小,振荡衰减更快,同时振荡频率减小;液滴铺展到最大值所用时间与碰撞速度和表面张力系数有关。     

降膜流动行为的数值模拟研究

本文对降膜的流动行为进行了二维和三维的数值模拟。分析了不同雷诺数下降膜的液膜厚度、液膜速度、壁面剪应力。模拟结果与实验值以及理论模型的推导值进行了比较,吻合程度良好。模拟研究表明：三维模拟可再现降膜的表面波动,而二维模拟无法预测这种波动。三维数值模拟得到的瞬态结果也显示了表面波动对液膜速度和壁面剪应力的影响。     

Self-Triggering Mechanism of Vapor Explosions for a Molten Tin and Water System

The self-triggering mechanism of vapor explosions was investigated analytically and experimentally using molten tin and water. First, we modeled a simple droplet system consisting of a hot liquid droplet in a pool of cold liquid. Then, to model the self-triggering mechanism, we assumed that an instability (i.e. perturbed oscillation) in the vapor/cold-liquid interface produces a collapse of the vapor film, which in turn would produce a vapor explosion. To investigate the stability of perturbed oscillations in a vapor film, we did a linear stability analysis of a vapor film surrounding a hot liquid. We found that there was a region of film stability in the cold-liquid temperature where spontaneous vapor explosions did not occur.

To validate our model, we experimentally determined the thermal interaction zone (TIZ) in which spontaneous vapor explosions occur. The occurrence conditions for spontaneous vapor explosions were investigated for molten tin, as the hot liquid, dropped into a water pool, as the cold liquid. We varied the tin temperature and the water temperature, and then monitored the occurrence and location of spontaneous vapor explosions. We found that the upper limit for the water temperature of the TIZ can be explained by our model.     

铀上激光辅助化学气相沉积镍薄膜研究

为防止金属铀的腐蚀,本文采用激光辅助化学气相沉积(LACVD)方法在铀上制备了镍薄膜。采用SEM、XRD分析了薄膜的形貌、物相以及界面特性,采用黏胶拉伸测试表征了膜-基结合性能,采用电化学极化法分析了薄膜的抗腐蚀性能。结果表明:压力和温度对化学气相沉积(CVD)方法制备镍薄膜的质量有较大的影响。随着基底温度和沉积气压的降低,薄膜变得致密、平整,质量提高。在优化的工艺条件165℃、3Pa下,CVD方法所得镍薄膜非常致密。采用LACVD方法时,激光能量为200mJ时所制得的薄膜致密,300mJ时膜变得粗糙。无激光辅助时,CVD方法所制得的薄膜较易剥落,激光辅助下所得薄膜的膜-基结合力较好。LACVD方法大幅提高了薄膜的抗腐蚀性能,抗腐蚀性能的提高主要源于激光辅助使薄膜致密化,提高了薄膜与基底的结合力。     

Fragmentation of a Single Molten Metal Droplet Penetrating Sodium Pool I Copper Droplet and the Relationship with Copper Jet

The progression of hypothetical core disruptive accidents in metallic fuel fast breeder reactors is strongly affected by the fragmentation of molten metallic fuels due to the molten fuel-coolant interaction (FCI). As a basic study of FCI, the present paper focuses on the fragmentation of a single molten copper droplet with mass from 1 to 5 g, whichpenetrated a sodium pool at instantaneous contact interface temperatures (T_i) from 995 to 1,342°C. Intensive fragmentation of a single molten copper droplet was clearly observed even if T_i values are below the melTsing point (1,083°C) of copper besides the higher T_i range. The intensive fragmentation shows that the mass median diameters (D_m) of copper droplets with a fivefold difference in mass or the same mass have little difference, i.e., they are nearly the same. Under the lower T_i condition, the D_m data of droplet fragments of both the same and different masses scatter widely. It is found that the present D_m/D₀ data of mass median diameter normalized by the diameter before touching sodium (D0) give a distribution with larger values than those of molten copper jets with large mass from 20 to 300 g under the lower T_i condition, which were previously reported by the authors, because of the limited amount of heat of droplets. The present Dm=D0 data under the higher T_i condition are found to show an effecTive fragmentation compared with those of molten copper jets with a large mass of 4 kg.     

熔盐堆中气泡分离器内部流场的数值模拟

气泡分离器是熔盐堆脱气系统中不可或缺的关键设备之一，通过离心分离的方式去除反应堆中氙等裂变气体及其载气。本文利用CFD软件Fluent，采用瞬态的二次压应力雷诺应力模型，对气泡分离器内部液相流场进行了数值模拟。分析了边界条件变化对分离器分离特性的影响。结果表明：系统压力对切向速度分布、压力分布及轴向零速包络面的结构均有较大影响，进而影响设备的分离特性。另外，对比计算结果与实验现象，也可看出，增加出口压力有利于气液分离。     

丝网分离器水滴撞击水膜的机理研究

运用VOF多相流模型,对丝网分离器内水滴撞击网丝表面沉积水膜的过程进行数值模拟,研究和预测大水滴在较高汽速条件下撞壁产生二次携带的机理。深入研究水滴因素,如水滴大小、初始速度和水膜厚度对丝网的二次携带现象的影响,为丝网分离器设计提供参考。数值结果分析表明,水滴的大小和撞击速度是影响撞击飞溅发生的主要原因,飞溅生成的二次小水滴是造水装置丝网分离器二次携带的重要组成。丝网分离器内水滴撞击网丝水膜能否发生二次携带取决于阈值K_cr＝Oh•Re^a,当K大于K_cr时必然产生二次携带。