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

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

2、熱工水力學(xué)與堆內(nèi)其他物理場耦合現(xiàn)象的研究，探索先進核能系統(tǒng)中的多物理場耦合的方法以及關(guān)鍵技術(shù)難點。主要工作內(nèi)容如下:
　　1)基于OpenFOAM開發(fā)液態(tài)金屬在強磁場中流動的熱工水力學(xué)-磁場耦合程序，并應(yīng)用于先進聚變反應(yīng)堆液態(tài)包層熱工水力學(xué)特性研究。采用電勢法求解磁場-流體耦合的方程組，電勢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。對開發(fā)的磁流體動力學(xué)程序進行Shericliff、Hunt、A

3、LEX方管和IEA圓管等國際基準(zhǔn)算例驗證。驗證結(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)冷卻劑在磁場下的三維流動現(xiàn)象。對聚變堆液態(tài)金屬包層中的關(guān)鍵突擴、突縮管道進行三維磁流體現(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)金屬流動速度比較低時，磁對流的現(xiàn)象會比較突出，針對所開發(fā)的磁場-流體動力學(xué)耦合程序進行功能擴展，并分析不同

4、哈特曼數(shù)對三維豎直管道內(nèi)的磁對流現(xiàn)象的影響。
　　2)基于OpenFOAM平臺開發(fā)點堆中子動力學(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算處理方法的實現(xiàn)。并分別對點堆中子動力學(xué)模型、CFD熱工水力學(xué)模型中的多孔介質(zhì)計算功能、自然對流功能和瞬態(tài)燃料棒導(dǎo)熱模型三個模塊進行分離驗證以及三個模型耦合之后的整體驗證，針對PDS-XADS的驗證結(jié)果表明各

5、個獨立模塊計算結(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)為滿足非對稱冷卻、局部反應(yīng)性擾動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，采用有限體積法開發(fā)擴散中子動力學(xué)程序，添加外推邊界條件的實現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)特征值求解采用源迭代算法，瞬態(tài)求解時以穩(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，進行時間步進求解，每個時間步更新各群中子宏觀截面。針對所開發(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五個穩(wěn)態(tài)特征值算例和瞬態(tài)基準(zhǔn)算例來對擴散中子動力學(xué)程序進行驗證。驗證結(jié)果表明擴散中子動力學(xué)程序計算精度高且?guī)缀芜m應(yīng)性強。隨后將本節(jié)開發(fā)的擴散中子動力學(xué)與上一小節(jié)開發(fā)CFD熱工水力學(xué)程序進行耦合，探索多物理場耦合之間的網(wǎng)格映射、迭代收斂等問題。
　　4)針對開發(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)性引入事故的對比分析，觀察不同壽期時由于燃耗等引起的安全系數(shù)變化對堆安全的影響;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非對稱反應(yīng)性引入事故和對稱反應(yīng)性引入事故的對比分析。
　　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)-磁場耦合程序、基于點堆中子動力學(xué)和CFD熱工水力學(xué)的耦合