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基于“一维系统+三维CFD”耦合方法的快堆非能动余热排出系统自然循环特性的数值模拟

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原子能科学技术 2024年第9期 1833-1843页

作者：陆道纲宋海洁郭劲松赵海琦张钰浩隋丹婷华北电力大学核科学与工程学院非能动核能安全技术北京市重点实验室

池式快堆采用了新型非能动堆内直接余热排出（DRACS）方式，提升了快堆的安全性。目前针对池式快堆自然循环开展的数值模拟研究中，系统程序难以准确预测池内复杂自然循环路径，难以准确模拟池内三维热工水力现象，如果采用三维CFD计算... 详细信息

池式快堆采用了新型非能动堆内直接余热排出（DRACS）方式，提升了快堆的安全性。目前针对池式快堆自然循环开展的数值模拟研究中，系统程序难以准确预测池内复杂自然循环路径，难以准确模拟池内三维热工水力现象，如果采用三维CFD计算建模及网格划分难度较高，且所需计算资源较大。为此本文开发了“一维系统+三维CFD”耦合方法，用于快堆非能动余热排出系统自然循环特性计算分析。利用日本大型钠回路实验台架（PLANDTL）DRACS自然循环模式对该耦合方法进行验证，稳态工况关键位置参数相对误差小于3%，瞬态工况关键位置参数与实验值变化趋势吻合较好，相对误差小于10%，验证了该耦合方法的适用性和准确性。利用该耦合方法，开展了中国实验快堆（CEFR）自然循环及余热排出特性计算分析，识别了池内自然循环流动路径，揭示了池内温度分层以及盒间流现象。本文方法可为大型钠冷快堆自然循环三维瞬态特性分析提供重要数值方法。

关键词： “一维系统+三维CFD”耦合方法快堆非能动余热排出自然循环堆内直接余热排出系统

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池式钠冷快堆复杂空间内流动与传热特性三维数值模拟研究综述

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原子能科学技术 2024年

作者：张钰浩赵海琦沈熙昊袁晓晓宋海洁陆道纲隋丹婷华北电力大学核科学与工程学院非能动核能安全技术北京市重点实验室

钠冷快堆是第四代先进核能系统的重要堆型之一。池式钠冷快堆安全裕量大，但结构较为复杂，其堆内一回路循环流动呈多尺度、复杂空间、多路径、三维流动等特点，给池式钠冷快堆计算与实验带来一定困难。近年来，计算流体力学（CFD）的... 详细信息

钠冷快堆是第四代先进核能系统的重要堆型之一。池式钠冷快堆安全裕量大，但结构较为复杂，其堆内一回路循环流动呈多尺度、复杂空间、多路径、三维流动等特点，给池式钠冷快堆计算与实验带来一定困难。近年来，计算流体力学（CFD）的快速发展为解决上述问题提供了重要技术路径，本文对池式钠冷快堆复杂空间内流动与传热特性三维数值模拟研究进行综述。对于全堆一体化整体计算，获取池式钠冷快堆典型对称/非对称工况下的三维温度场分布及关键热工参数瞬态变化，评价其余热排出能力；对于局部部件或区域精细化计算，获取局部三维流动与传热特征参数，也为全堆一体化计算提供关键输入。相关研究为池式钠冷快堆安全稳定运行及设计优化提供重要支撑。

关键词：池式钠冷快堆池式复杂空间多路径流动传热特性三维数值模拟

热辐射特征参数对快堆锥形顶盖空间换热特性影响的研究

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核科学与工程 2024年第1期44卷 55-62页

作者：冯佳琪陆道纲张钰浩于宗玉华北电力大学核科学与工程学院北京102206 非能动核能安全技术北京市重点实验室北京102206

池式钠冷快堆的钠池内充满高温液态钠,其上方覆盖有氩气,高温液态钠主要通过辐射换热及对流换热的方式向快堆主容器上部结构及氩气空间传递热量,其换热特性及其影响因素十分复杂。辐射发射率及液态钠蒸发形成的气溶胶层对主容器上部结... 详细信息

池式钠冷快堆的钠池内充满高温液态钠,其上方覆盖有氩气,高温液态钠主要通过辐射换热及对流换热的方式向快堆主容器上部结构及氩气空间传递热量,其换热特性及其影响因素十分复杂。辐射发射率及液态钠蒸发形成的气溶胶层对主容器上部结构的热工水力特性会造成一定影响。因此,为保证主容器上部结构在不同温度载荷下的安全性与稳定性,十分必要获取不同辐射发射率及不同气溶胶层分布下的温度分布。本研究建立大型池式钠冷快堆主容器上部锥形顶盖空间(以下简称“锥顶盖”)数值计算模型,开展数值模拟计算,得到不同发射率及气溶胶层厚度影响下锥顶盖的温度场。研究结果表明,发射率越高,锥顶盖斜肩及氩气空间温度越高;当气溶胶层存在于靠近钠液面的高度范围时(0~0.2 m),增加其厚度可使氩气空间局部温度升高,但对锥顶盖斜肩温度影响有限。发射率增高53%,则辐射换热量增加31.47%,格拉晓夫数(Gr)减少19.29%,辐射换热效果增强,自然对流效果减弱;气溶胶层高度由0增加到0~0.1 m时,对辐射换热量的吸收增加22.68%,格拉晓夫数(Gr)减少19.29%,气溶胶层高度由0~0.1 m增加到0~0.2 m时,透过气溶胶层的辐射换热量减少了0.04%,格拉晓夫数(Gr)增加了0.9%,辐射换热效果减弱,自然对流效果加强。

关键词：快堆锥形顶盖空间辐射换热自然对流发射率吸收系数

液态金属堆内小长径比同轴双层薄壁结构的流固耦合试验研究

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核科学与工程 2024年第1期44卷 25-32页

作者：朱宇轩陆道纲刘强李东昊张超凡王明政刘雨华北电力大学核科学与工程学院北京102206 非能动核能安全技术北京市重点实验室北京102206 中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部北京102413

池式液态金属堆的主容器与热屏之间具有狭窄的流体间隙,该结构属于含窄缝间隙的小长径比同轴双层柔性壳体。窄缝间隙中流体与结构之间相互作用产生的流固耦合效应在抗震分析时必须加以考虑。现有研究主要针对长径比较大和流体间隙相对... 详细信息

池式液态金属堆的主容器与热屏之间具有狭窄的流体间隙,该结构属于含窄缝间隙的小长径比同轴双层柔性壳体。窄缝间隙中流体与结构之间相互作用产生的流固耦合效应在抗震分析时必须加以考虑。现有研究主要针对长径比较大和流体间隙相对较大的圆柱壳体,对于小长径比和极小流体间隙的同轴柔性壳体研究较为缺乏。本文参考液态金属反应堆的结构设计了三种不同尺寸的窄缝间隙,开展窄缝间隙条件小长径比同轴双层壳体模型的振动试验,测量结构在不同间隙尺寸下的加速度,得到模态频率和主要振型。然后,使用有限元法进行模态分析,通过与试验结果的对比,验证了有限元法的准确性。最后,计算出不同间隙尺寸下模型的附加质量;且随着间隙尺寸的减小,模型附加质量随之增大。本研究可为类似的含窄缝小长径比同轴双层柔性壳体结构的抗震设计提供数据支持,对于液态金属堆的抗震分析具有重要意义。

关键词：流固耦合试验液态金属反应堆附加质量有限元法双层柔性壳体

含绕丝棒束内横向流动的可视化实验与数值模拟研究

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原子能科学技术 2023年第5期57卷 968-977页

作者：孙牧川王汉陆道纲华北电力大学核科学与工程学院北京102206

螺旋绕丝是第4代先进核反应堆燃料组件的定位装置之一,冷却剂在绕丝作用下发生定向交混和周期性横流,是影响燃料元件包壳温度的重要因素,有必要进行深入研究。本文采用粒子图像测速法对含绕丝7棒束内水的横向流动进行实验测量,得到了横... 详细信息

螺旋绕丝是第4代先进核反应堆燃料组件的定位装置之一,冷却剂在绕丝作用下发生定向交混和周期性横流,是影响燃料元件包壳温度的重要因素,有必要进行深入研究。本文采用粒子图像测速法对含绕丝7棒束内水的横向流动进行实验测量,得到了横截面整体速度分布和局部流动特性,并利用STAR CCM+软件进行了稳态数值模拟,分析了无量纲横向流速的变化规律。结果表明,棒束内存在整体环流和若干局部涡流,大尺度涡出现在棒和内壁附近,小尺度涡出现在棒和绕丝附近。随着雷诺数的增大,横向流动规律基本一致,但速度大小呈线性增长趋势。湍流模型敏感性分析表明,雷诺应力-椭圆混合模型对流场的预测与实验数据最为接近。横向流动具有明显的周期性,对于所选定的棒束结构,最大横向流速约为轴向流速的25%,且在绕丝经过棒间隙时出现突变。

关键词：粒子图像测速棒束螺旋绕丝横向流动可视化

基于先进节块法的六边形三维中子物理程序的开发与验证

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原子能科学技术 2022年第2期56卷 351-359页

作者：陆道纲吕思宇隋丹婷郭劲松华北电力大学核科学与工程学院北京102206 非能动核能安全技术北京重点实验室北京102206

六边形燃料组件在液态金属冷却快堆尤其是钠冷快堆中被广泛应用,针对这类堆型的设计与安全分析需要对堆芯中子通量与中子流进行三维全堆芯耦合计算。经过多年发展,目前已有多种解析节块法、积分节块法、节块展开法等先进节块法能在笛卡... 详细信息

六边形燃料组件在液态金属冷却快堆尤其是钠冷快堆中被广泛应用,针对这类堆型的设计与安全分析需要对堆芯中子通量与中子流进行三维全堆芯耦合计算。经过多年发展,目前已有多种解析节块法、积分节块法、节块展开法等先进节块法能在笛卡尔坐标系下较为精确求解多维中子扩散方程。本文通过径向半解析节块法耦合轴向高阶节块展开法的综合节块方法开发了反应堆三维中子物理计算软件SA-HNHEX,并对VVER-440二维、三维基准题进行建模与仿真计算。计算结果与参考值符合较好,初步验证了使用该方法进行反应堆堆芯中子扩散计算的正确性。

关键词：六边形节块法中子扩散方程半解析节块法高阶节块展开法液态金属冷却快堆

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压水堆乏燃料单棒冷却液膜流动特性实验研究

原子能科学技术 2022年第10期56卷 2061-2068页

作者：曹琼蒋鹤元丁笑陆道纲李臻王孝天华北电力大学核科学与工程学院非能动核能安全技术北京市重点实验室北京102206

为避免在极端事故工况下,乏燃料水池会长期失去补水和冷却,第3代核电站如AP1000和CAP1400,引入了喷淋冷却系统。在喷淋条件下,乏燃料棒上液膜流动特性是影响冷却效果的重要因素,国内外学者还未对其做过详细的研究。本文使用光学法研究... 详细信息

为避免在极端事故工况下,乏燃料水池会长期失去补水和冷却,第3代核电站如AP1000和CAP1400,引入了喷淋冷却系统。在喷淋条件下,乏燃料棒上液膜流动特性是影响冷却效果的重要因素,国内外学者还未对其做过详细的研究。本文使用光学法研究了在不同雷诺数(Re)条件下,对单根乏燃料棒进行喷淋冷却所形成的液膜厚度随时间和空间的变化。利用CCD相机采集液膜图像,并经过处理得到了清晰的液膜厚度图像和与图像吻合良好的数据。实验结果表明:当Re为608~7538时,瞬态液膜厚度最大值出现在Re=7085的条件下,其值为2.36 mm;随着Re的增加,时均液膜厚度会随之增加,并且液膜波动的振幅也会随之增加;在沿棒方向上,随着距棒顶距离的增加,液膜厚度会逐渐减小并趋于平稳,并且随着Re的增加,平稳部分会出现在距棒顶更远的位置。对乏燃料单棒冷却液膜流动特性的研究,为确定具有有效冷却能力的最小喷淋流量奠定了基础。

关键词：乏燃料棒喷淋冷却液膜厚度光学法

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同轴圆柱壳流固耦合附加质量研究

固体力学学报 2022年第1期43卷 71-80页

作者：刘强刘雨王明政陆道纲刘小明中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部北京102413 华北电力大学核科学与工程学院北京102206 中科院力学所LNM重点实验室北京100190

论文根据堆本体内窄间隙同轴设备支承筒的结构特征、边界条件和窄间隙环腔内流体流速,将结构简化为一端固定一端自由的同轴圆柱壳,将圆柱壳内外的流体简化为无旋、无黏、不可压缩流体.同轴圆柱壳通过流体压力场实现耦合,其径向位移模态... 详细信息

论文根据堆本体内窄间隙同轴设备支承筒的结构特征、边界条件和窄间隙环腔内流体流速,将结构简化为一端固定一端自由的同轴圆柱壳,将圆柱壳内外的流体简化为无旋、无黏、不可压缩流体.同轴圆柱壳通过流体压力场实现耦合,其径向位移模态决定了窄间隙流体域的压力场,故采用级数形式的圆柱壳径向正交位移模态构建既满足一端固定一端自由边界条件,又满足波动方程的压力场基函数,并由此基函数推导一端固定一端自由同轴圆柱壳由间隙流体耦合时自由振动且出现梁、壳复合振型的附加质量理论公式,基函数项数大于50时附加质量计算精度满足要求.为方便工程应用,参考俄罗斯标准以设计曲线形式给出论文推导的同轴圆柱壳流体附加质量结果.为验证以上理论公式,论文首先建立了不同高径比、不同间隙量和不同壁厚的同轴圆柱体流固耦合有限元模型,通过对比理论公式计算结果和包含窄间隙流体域的同轴圆柱壳有限元模型的模态结果可知,当圆柱壳高径比≤2.0时,主振型的频率误差在5%以内;同时笔者设计了双层同轴圆柱筒的流固耦合试验,通过对比模态试验的频率和振型结果进一步验证了论文推导理论公式的正确性.

关键词：堆本体设备支承筒压力场基函数附加质量

基于CFD的钠冷快堆子通道绕丝搅浑系数选取

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核科学与工程 2022年第6期42卷 1296-1304页

作者：张珺隋丹婷彭晶陆道纲华北电力大学核科学与工程学院北京102206 非能动核能安全技术北京市重点实验室北京102206

钠冷快堆能够提高铀资源的利用率,减少核废料的产生,是非常有前景的第四代核能系统堆型之一。同时,钠冷快堆也因其使用金属绕丝对燃料棒进行固定,具有更复杂的堆内构造,探究钠冷快堆堆芯内因绕丝而引起的搅浑效应对钠冷快堆的堆芯设计... 详细信息

钠冷快堆能够提高铀资源的利用率,减少核废料的产生,是非常有前景的第四代核能系统堆型之一。同时,钠冷快堆也因其使用金属绕丝对燃料棒进行固定,具有更复杂的堆内构造,探究钠冷快堆堆芯内因绕丝而引起的搅浑效应对钠冷快堆的堆芯设计及安全分析具有重要意义。本文针对钠冷快堆的堆芯设计,采用CFD软件建立带绕丝的7根燃料棒束模型,针对大流量工况(工况1)、中流量工况(工况2)进行工况计算,根据流场的雷诺应力获得绕丝的湍流搅浑系数。并基于自主研发的子通道计算程序SAC-SUB建立相同的几何模型,将湍流搅浑系数输入子通道计算程序中,获得内通道、边通道、角通道温度分布,并将两种软件的计算结果进行了对比。对比结果表明,对于不同的通道而言,两种计算软件内通道的温度偏差最小(2.5℃),角通道的温度偏差最大(13.2℃)。对于不同的流量而言,中流量工况(工况2)温度偏差更小,最小温差只有0.8℃。该工作为后续快堆子通道分析搅浑系数的选取提供了技术基础。

关键词：钠冷快堆子通道分析搅浑系数 CFD