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CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2017年  > 学位论文
题名:
氟盐冷却球床堆堆芯燃料球离散模拟
作者: 刘峰瑞
学位类别: 博士
答辩日期: 2017
授予单位: 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
导师: 王纳秀 ; 黎忠
关键词: 氟盐冷却球床堆 ; 离散元 ; 颗粒堆积 ; 包络面 ; 颗粒流体耦合
中文摘要: 氟盐冷却球床堆(PB-FHR)是一种新型的第四代核反应堆,采用氟盐作为一回路冷却剂和高温气冷堆的燃料球作为燃料,具有较好的安全性和经济性。与气固系统中颗粒-流体耦合运动特性不同,堆芯内部固液两相密度接近且燃料球尺寸在厘米量级。低密度比导致堆积构建的计算非常耗时,大的颗粒半径又不符合传统DEM-CFD耦合方法所要求的流体计算网格足够大的假设。针对堆芯内部燃料球-冷却剂的耦合运动特性,本论文提出了适用于PB-FHR堆芯燃料球的离散分析方法并初步构建了三步式分析流程,包括颗粒堆积的形成,堆积包络面信息的提取和两相耦合运动的计算。首先是初始燃料球堆积的构建。PB-FHR堆芯内部由于颗粒-流体密度相近,净浮力只有重力加速度的约十分之一,小的净浮力导致堆积中小的颗粒间重合量和很小的离散元模拟时长。另外,反应堆安全分析中需要考察不同孔隙率的燃料球堆积对后续物理热工设计的影响。针对这三个问题,本文提出了圆柱容器内生成单粒径颗粒堆积的两阶段重力落球算法(TGM算法),可以在同一套程序框架内提升计算效率,控制颗粒间的平均重合量并且可以在大范围内调控堆积孔隙率。其次是燃料球堆积的信息提取。生成颗粒堆积之后,只用整体的平均孔隙率来评估堆积质量是不全面的,往往还需要进行单颗粒尺度上的信息提取来描述堆积特征。为此本论文提出了基于单个颗粒尺度的Voronoi-Delaunay剖分算法(SVD算法)。算法可以在单个颗粒的尺度上提取堆积内部任意颗粒的配位数,堆积内空洞拓扑的检测,三维孔隙率分布及包络面的提取等等。目前论文主要研究了工程中关心的装料后燃料球包络面的问题,通过提取振动后颗粒堆积的包络面,从拓扑演化的角度揭示了近壁面颗粒结晶化是导致振动密实效应的原因之一。最后是计算颗粒-流体间的耦合运动。针对传统DEM-CFD算法要求流体计算网格足够大这个限制,本论文提出了针对一般流体域的基于双网格的两相耦合算法(PB-FHR DEMCFD算法)。在颗粒和流体部分分别各自引入一套粗网格,粗的颗粒计算网格和流体计算网格之间的信息交换通过插值来完成。在此之上颗粒和流体部分均需维护流体压力,流体速度,孔隙率以及颗粒速度这四个场量来完成两相耦合力的计算。基于双网格的耦合算法解除了流体计算网格和颗粒直径之间的耦合,适用于复杂流场的模拟。通过对气固系统中三个典型基准算例的校核证明了算法对传统气-固系统的适用性。为了进一步考察算法对非规则区域流固强耦合工况的适用性,本论文搭建了缩比实验台架来仿真低密度差的强耦合工况,聚丙烯塑料球和水分别代替燃料球和冷却剂,模拟和实验结果非常吻合,初步证明了该算法对堆芯燃料球运动仿真的准确性。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/27530
Appears in Collections:中科院上海应用物理研究所2011-2017年_学位论文

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作者单位: 中国科学院上海应用物理研究所

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刘峰瑞. 氟盐冷却球床堆堆芯燃料球离散模拟[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所). 2017-01-01.
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