基于浸没边界法的流固耦合模拟分析

钠冷快堆(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)作为第四代反应堆系统的重要堆型之一,采用非能动停堆组件保证安全性已成为国内外研究共识。然而,在对非能动停堆组件落棒停堆过程进行模拟时,由于复杂几何、存在孔隙结构以及运动边界等问题的存在,传统计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)程序所使用的结构化网格或非结构化网格生成方法在解决该类问题时存在较大的局限性。本文基于浸没边界法开发了相应的求解程序,该法无需构建复杂的贴体网格,而是采用简单的笛卡尔网格,通过将体积力添加到控制方程中的方式纳入边界条件,适合上述工况的模拟过程。并对程序的准确性进行验证分析,分别模拟了在二维固定圆柱绕流下的稳态流动、不稳定流动,以及二维振荡圆柱不稳定流动,得到涡旋特征参数、阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数,以及涡脱落情况等数值模拟结果,并将其与已有文献数据进行对比,结果显示本求解器具有良好的效率和准确性。     

矩形通道的流固耦合传热模拟

针对带发热板的矩形通道,利用CFX程序对其进行流固耦合传热模拟,并对网格进行传热方面的敏感性分析,得到较好的网格尺度。最后,通过与直接添加表面热流密度模拟的对比,分析流固耦合传热模拟的好处。研究结果表明,流固耦合传热模拟能更准确地研究通道的薄弱环节,提高热工性能。     

双弹性管流固耦合振动的数值模拟

为研究反应堆结构中诸如燃料棒、蒸汽发生器和其他换热器等管束类结构的流固耦合振动问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,建立了三维流体诱发弹性管束振动的数值模型,实现了计算结构动力学与计算流体力学之间的双向耦合。得到横流作用下单管的振动响应,并与已有的实验数据比较,证明了本文模型的合理性;对横流作用下的两串列管、两并列管的流固耦合振动进行了数值模拟,着重研究了节径比为1.2、1.6、2、3、4的两弹性管在不同流速作用下的动力学响应及流场特性;得到串列管、并列管的临界间距与临界流速。     

基于流固耦合的铅铋回路冷却器应力分析

基于流固耦合的方法对KYLIN-II液态铅铋回路中的冷却器进行了应力分析与强度评定.首先在ANSYS Fluent中进行计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)分析,获得了冷却器中准确的温度分布;然后将冷却器的温度以热载荷的形式导入ANSYS Mechanical软件中,并考虑流体的静压载荷,设计了两种不同工况,开展冷却器结构静力分析;最后基于JB 4732-95标准对计算结果进行应力分类和强度评定.结果表明,换热管与管壳连接处存在应力集中现象,但结构仍然满足强度要求,冷却器的结构设计方案合理、可行.     

船用核动力装置止回阀的流固热耦合研究

针对船用核动力装置中止回阀的泄漏问题,利用流固热耦合仿真方法研究了温度快速变化对止回阀的影响,结果表明:止回阀的等效应力和变形量随温度的降低而降低;密封压垫和四合环最大等效应力位于阀门管道两端,最大变形量位于阀门前后部位;密封压垫的最大变形量和收缩率都比四合环大;由于高温高压的作用,密封压垫与阀盖之间产生了明显的间隙,易发生泄漏,且该间隙随温度的降低而扩大,可能加剧泄漏。      

基于神经网络的CFD粗网格模拟优化方法研究

为缓解使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)程序进行反应堆热工水力数值模拟中计算效率和计算精度之间的突出矛盾,以实现在较高计算效率下得到较高精度的计算结果,研究借助机器学习(Machine Learning,ML)中的前馈神经网络(Feedforward Neural Ne...     

基于双向流固耦合的换热管流致振动分析

为研究管壳式熔盐空气换热器U型管弯管段受空气冲击诱导振动响应特性,依托中国科学院战略性先导科技专项——钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)综合仿真实验平台,采用单管双向流固耦合方法进行仿真。计算加速度值与实验值较为吻合,误差范围为-12%~15%,证明了单管双向流固耦合方法分析换热管流致振动问题的可行性。数值模拟还表明:流致振动具有在初始0.06 s时间内空气流动和传热管位移趋于稳定和外扩-回弹的周期性变化等特征,最终将在一微小区间内做"8"字往复运动。     

基于流固热耦合的燃料元件包壳结构完整性分析

反应堆系统发生瞬态工况时,冷却剂温度的瞬间大幅度变化会对燃料元件包壳结构完整性造成冲击,危及反应堆安全。本文以某压水堆3×3燃料组件为对象,采用流固热耦合方法对冷水事故下燃料组件的流动换热特性和燃料元件包壳温度、变形及应力进行了三维精细化模拟。结果表明:定位格架能够增强燃料棒表面的对流换热强度;包壳变形时向与刚凸接触的一侧折弯,向与弹簧接触的一侧凸起;包壳与定位格架接触部位的温度和最大等效应力随事故时间不断增大,且最大等效应力超过了包壳材料的屈服强度,将发生强度失效,影响其结构完整性。本文研究可为反应堆燃料元件包壳瞬态工况下的完整性评价提供借鉴。      

基于耦合损伤本构模型的508-3钢循环塑性变形模拟

基于耦合损伤本构模型开展了508-3钢在200℃下的循环累积塑性变形模拟研究。通过单轴拉伸和循环加载实验获得了试验数据并拟合确定了材料的损伤本构模型参数,然后利用该本构模型模拟了材料的单调加载变形行为和循环累积塑性变形行为。与经典Chaboche模型的模拟结果相比,耦合损伤的本构模型能更好地模拟508-3钢的单调拉伸行为、应变和应力控制循环软化变形行为,且模拟结果与实验数据吻合良好,为508-3钢制造的核电设备的累积塑性变形模拟奠定了基础。     

基于耦合框架的多通道程序网格与接口模块开发

基于耦合框架开发耦合程序,采用框架实现耦合数据传递和流程控制,可以提高耦合程序的开发效率,并降低开发难度。本文根据反应堆多物理耦合框架的使用规范,开发了堆芯多通道程序的网格与接口模块,该模块能够读取堆芯功率场,计算并生成堆芯热工网格与物理场,实现输入、输出与计算模块的封装与调用。采用RSG-GAS堆型建模与验证表明,多通道程序的网格模块能够正确生成各种尺度的网格和物理场,接口模块封装流程函数计算结果与原程序一致,能够正确读取功率场,生成并输出温度场与密度场。通过以上的模块开发,CORTH程序可以基于耦合框架灵活快捷地开发不同网格尺度物理程序的耦合程序。     

Improved Flash X-Ray Simulation Using the Grad-B Interaction

A new concept for improving the simulation capabilities of flash x-ray sources has been analyzed. The method makes use of adiabatic, single-particle drift in externally applied azimuthal magnetic fields in order to focus, reflex, and stagnate a relativistic electron beam at a converter foil. It yields higher extraction efficiencies and softer spectra than those obtained from more conventional schemes. Power deposition in standard dosimetry is enhanced by factors of 2 to 3. Additional enhancement of time-dependent effects may be achieved through bunching.     

双线性插值图像放大算法优化及硬件实现

提出了一种基于双线性插值图像放大的优化算法,在算法中加入轮廓增强处理,保留了图像边缘的高频信息,改善了双线性插值算法引起的边缘模糊问题.改进后的双线性插值放大算法处理速度快,硬件实现简单,且有较好的图像质量.实验表明,该算法适合于对图像进行实时放大处理.     

AP1000非能动安全壳冷却水贮存箱流固耦合动态特性实验和分析

地震作用下,AP1000的非能动安全壳冷却水贮存箱（PCCWST）的水与结构产生的流固耦合作用可能会对安全壳的完整性造成威胁。在AP1000屏蔽厂房的设计中,非规则形状的PCCWST被简化为圆柱体,采用Housner模型进行结构设计,但该简化对冲动质量的影响仍有待研究。本工作以PCCWST为原型,设计完全缩比试验模型和等体积缩比模型,分别进行了振动台模型试验,测量了水晃动频率、结构频率和阻尼比。通过实验数据反推出PCCWST内水的冲动质量和晃动频率等。最后针对AP1000混凝土安全壳建模,采用附加质量法考虑流固耦合效应,利用实体单元模拟水的冲动效应,进行了有限元建模以及模态分析和时程分析,并将结果与其他两种流体单元（Fluid30和Fluid80）的结果进行对比。本文的研究对PCCWST的设计和评审具有参考价值。     

考虑流固耦合效应的快堆堆本体抗震试验模化方法

为准确模拟快堆堆本体中液体晃动对主容器的作用,本文建立了一种考虑流固耦合效应的快堆堆本体抗震试验模化方法,不仅保证加速度相似比严格为1,还保证了流体与结构的质量比与原堆的相同。依照上述试验模化方法,分别设计了与快堆原型比尺为1∶25（大）和1∶50（小）两个缩比试验模型。为验证上述理论方法的有效性,对这两个模型进行了地震动力学数值模拟,并比较了大模型和小模型的模拟结果。比较结果表明,大、小模型的地震动响应参数比值满足推导得到的理论准则,从而通过数值试验方法验证了上述模化方法的有效性。该模化方法可为快堆堆本体抗震试验提供理论依据。     

CAP1400双乏燃料贮存格架地震条件下流固耦合试验研究

CAP1400是中国自主研发的新型反应堆,其乏燃料贮存格架自由地放置在乏燃料水池内,水可在格架内部通道中流通,同时水也存在于格架与格架、格架与池壁之间的间隙中。在地震情况下,格架与流体之间的流固耦合特性非线性度非常高,很难用软件准确地模拟计算。为准确地探究CAP1400乏燃料贮存格架的流固耦合特性,建立了乏燃料贮存格架和水箱缩比试验模型,开展了振动台试验。在扫频试验中,测量了格架支脚与水箱底板间的摩擦系数;同时研究了正弦波、地震波工况下,格架与格架间的间隙对格架滑移现象、流体压力的影响。通过分析试验结果,得到了格架支脚与水池间的摩擦系数;且格架间隙越大,流体压力越小,但格架间隙对滑移现象影响不明显。本试验的结果可为CAP1400乏燃料贮存格架的流固耦合参数选取提供依据。     

Three Dimensional Simulation of Ion Thruster Plume-Spacecraft Interaction Based on a Graphic Processor Unit

Based on the three-dimensional particle-in-cell (PIC) method and Compute Unified Device Architecture (CUDA), a parallel particle simulation code combined with a graphic processor unit (GPU) has been developed for the simulation of charge-exchange (CEX) xenon ions in the plume of an ion thruster. Using the proposed technique, the potential and CEX plasma distribution are calculated for the ion thruster plume surrounding the DS1 spacecraft at different thrust levels. The simulation results are in good agreement with measured CEX ion parameters reported in literature, and the GPU’s results are equal to a CPU’s. Compared with a single CPU Intel Core 2 E6300, 16-processor GPU NVIDIA GeForce 9400 GT indicates a speedup factor of 3.6 when the total macro particle number is 1.1×10 6 . The simulation results also reveal how the back flow CEX plasma affects the spacecraft floating potential, which indicates that the plume of the ion thruster is indeed able to alleviate the extreme negative floating potentials of spacecraft in geosynchronous orbit.     

基于蒙特卡罗模拟3-DPET图像重建的研究

应用蒙特卡罗模拟软件GATE对GeDiscoveryLSPET/CT扫描系统进行模拟,获得三维投影数据,分别采用三维有序子集最大期望值法（3-DOSEM）与三维滤波反投影法（3-DFBP）进行图像重建,从空间分辨率、成像的对比度以及信噪比等方面对3-DOSEM法与3-DFBP法的重建结果进行比较。结果显示,对蒙特卡罗方法模拟获得的三维投影数据,采用3-DOSEM法重建比3-DFBP法重建得到的图像质量好。     

基于流热固耦合的核电蒸汽发生器传热管热应力数值模拟

以大亚湾核电站蒸汽发生器为原型,基于相似模化原理建立了蒸汽发生器简化物理模型。采用两流体模型及热弹性力学基本关系式分别描述气液两相流沸腾相变过程和热应力变化规律。利用CFX对一、二回路侧流体流动传热及与传热管的耦合换热过程进行了数值模拟,并在ANSYS WORKBENCH中实现了流体温度场载荷向结构的传递,进而对传热管进行稳态热分析和热应力分析。计算结果表明：二回路出口质量含汽率为24.5%,冷却剂出口温度为296.2 ℃,均与大亚湾蒸汽发生器实际运行参数相符;传热管热应力与其壁面温差分布一致,且沿壁厚方向先减小后增大,并存在中性层,传热管最大热应力为54.5 MPa。研究结果为蒸汽发生器的优化设计及安全运行提供了一定的理论支撑。     

基于任意三角形网格的中子扩散变分节块法

传统的基于矩形和六角形几何的堆芯计算程序已不适用于具有复杂几何的新型反应堆堆芯计算,本文开展了基于任意三角形网格的多群中子扩散变分节块方法研究。首先,采用ANSYS软件对计算区域进行三角形网格剖分,并利用坐标变换将任意三角形变换为正三角形;其次,采用Galerkin变分技术建立包含节块中子平衡方程的泛函,将三角形节块内变量利用正三角形内正交基函数进行展开;最后,利用变分原理,获得中子通量密度与节块边界上分中子流的响应关系,并基于传统的源迭代法对其进行求解。基于上述理论模型开发了程序TriVNM,并采用不同几何基准题进行了验证。结果表明,TriVNM计算的堆芯keff和归一化功率分布与参考解吻合较好,该计算方法适用于复杂几何堆芯扩散计算。     

基于3Keymaster平台的压水堆核电站系统回路放射性仿真研究

核电站一、二回路放射性水平的分析和仿真,是实现核电站辐射监测系统仿真的重要组成部分。本文对放射性源项进行分析和简化、建立核素释放和输运模型,并基于3Keymaster仿真平台对一、二回路的放射性水平进行仿真。给出在SGTR、燃料棒破损事故条件下的系统回路内的放射性仿真结果,以验证放射性核素释放及输运模型的合理性和适用性。