先進(jìn)反應(yīng)堆熱工水力與多物理場(chǎng)耦合程序開發(fā)及應(yīng)用研究.pdf

1、多物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象廣泛存在于各種核反應(yīng)堆中，尤其是先進(jìn)的反應(yīng)堆系統(tǒng)中。多物理場(chǎng)耦合以及大規(guī)模并行也是當(dāng)前核能軟件研發(fā)的核心課題。傳統(tǒng)的基于各獨(dú)立物理模塊開發(fā)接口程序進(jìn)行外耦合的方法不適用于強(qiáng)耦合、高精度、大規(guī)模并行的需求。多物理場(chǎng)耦合的本質(zhì)是偏微分方程組的聯(lián)立求解?；诮y(tǒng)一編程框架進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合并對(duì)各個(gè)不同物理場(chǎng)進(jìn)行建模、離散、數(shù)值求解也是開發(fā)數(shù)值反應(yīng)堆的研究趨勢(shì)。
　　本文工作基于開源CFD平臺(tái)OpenFOAM，通過對(duì)先進(jìn)反應(yīng)堆

2、熱工水力學(xué)與堆內(nèi)其他物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象的研究，探索先進(jìn)核能系統(tǒng)中的多物理場(chǎng)耦合的方法以及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。主要工作內(nèi)容如下:
　　1)基于OpenFOAM開發(fā)液態(tài)金屬在強(qiáng)磁場(chǎng)中流動(dòng)的熱工水力學(xué)-磁場(chǎng)耦合程序，并應(yīng)用于先進(jìn)聚變反應(yīng)堆液態(tài)包層熱工水力學(xué)特性研究。采用電勢(shì)法求解磁場(chǎng)-流體耦合的方程組，電勢(shì)梯度和電流密度的求解采用相容守恒的離散格式，流體NS方程的求解采用PISO算法。對(duì)開發(fā)的磁流體動(dòng)力學(xué)程序進(jìn)行Shericliff、Hunt、A

3、LEX方管和IEA圓管等國際基準(zhǔn)算例驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明耦合程序具有非常好的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)可以適用于非結(jié)構(gòu)、非正交網(wǎng)格，具有較好的幾何適應(yīng)性。采用該耦合程序分析了聚變堆液態(tài)金屬包層內(nèi)冷卻劑在磁場(chǎng)下的三維流動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)聚變堆液態(tài)金屬包層中的關(guān)鍵突擴(kuò)、突縮管道進(jìn)行三維磁流體現(xiàn)象分析，從而提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低局部三維壓降。另外當(dāng)包層內(nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)速度比較低時(shí)，磁對(duì)流的現(xiàn)象會(huì)比較突出，針對(duì)所開發(fā)的磁場(chǎng)-流體動(dòng)力學(xué)耦合程序進(jìn)行功能擴(kuò)展，并分析不同

4、哈特曼數(shù)對(duì)三維豎直管道內(nèi)的磁對(duì)流現(xiàn)象的影響。
　　2)基于OpenFOAM平臺(tái)開發(fā)點(diǎn)堆中子動(dòng)力學(xué)模型與CFD熱工水力學(xué)模型以及燃料棒瞬態(tài)導(dǎo)熱模型之間的耦合程序，探索基于多套網(wǎng)格的采用常微分方程組和偏微分方程組描述的多物理耦合計(jì)算處理方法的實(shí)現(xiàn)。并分別對(duì)點(diǎn)堆中子動(dòng)力學(xué)模型、CFD熱工水力學(xué)模型中的多孔介質(zhì)計(jì)算功能、自然對(duì)流功能和瞬態(tài)燃料棒導(dǎo)熱模型三個(gè)模塊進(jìn)行分離驗(yàn)證以及三個(gè)模型耦合之后的整體驗(yàn)證，針對(duì)PDS-XADS的驗(yàn)證結(jié)果表明各

5、個(gè)獨(dú)立模塊計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、耦合程序數(shù)據(jù)傳遞正確，可以用于反應(yīng)堆的瞬態(tài)安全分析。
　　3)為滿足非對(duì)稱冷卻、局部反應(yīng)性擾動(dòng)等有功率空間變化的瞬態(tài)安全事故分析的需求，基于OpenFOAM平臺(tái)，采用有限體積法開發(fā)擴(kuò)散中子動(dòng)力學(xué)程序，添加外推邊界條件的實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)特征值求解采用源迭代算法，瞬態(tài)求解時(shí)以穩(wěn)態(tài)結(jié)果為初始狀態(tài)，耦合緩發(fā)中子先驅(qū)核方程和溫度反饋模型，進(jìn)行時(shí)間步進(jìn)求解，每個(gè)時(shí)間步更新各群中子宏觀截面。針對(duì)所開發(fā)的程序采用臨界球、臨界柱和

6、臨界塊算例以及IAEA、TWIGL、Dodd Benchmark、LRA和HTGR五個(gè)穩(wěn)態(tài)特征值算例和瞬態(tài)基準(zhǔn)算例來對(duì)擴(kuò)散中子動(dòng)力學(xué)程序進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明擴(kuò)散中子動(dòng)力學(xué)程序計(jì)算精度高且?guī)缀芜m應(yīng)性強(qiáng)。隨后將本節(jié)開發(fā)的擴(kuò)散中子動(dòng)力學(xué)與上一小節(jié)開發(fā)CFD熱工水力學(xué)程序進(jìn)行耦合，探索多物理場(chǎng)耦合之間的網(wǎng)格映射、迭代收斂等問題。
　　4)針對(duì)開發(fā)的核-熱耦合程序開展應(yīng)用研究，探索基于面向?qū)ο缶幊炭蚣荛_發(fā)的多物理場(chǎng)耦合程序的適應(yīng)性。開展的

7、應(yīng)用研究有:一是小型自然循環(huán)鉛冷快堆的不同壽期反應(yīng)性引入事故的對(duì)比分析，觀察不同壽期時(shí)由于燃耗等引起的安全系數(shù)變化對(duì)堆安全的影響;二是ADS次臨界堆芯的典型束流瞬態(tài)事故分析，包括不同時(shí)長的失束、超束以及疊加事故情況下反應(yīng)堆功率、反應(yīng)性以及燃料溫度等變化;三是全堆芯LRA非對(duì)稱反應(yīng)性引入事故和對(duì)稱反應(yīng)性引入事故的對(duì)比分析。
　　本文基于面向?qū)ο蟮腃FD程序框架開發(fā)了熱工水力學(xué)-磁場(chǎng)耦合程序、基于點(diǎn)堆中子動(dòng)力學(xué)和CFD熱工水力學(xué)的耦合