本文關(guān)鍵詞：氟鹽冷卻球床堆堆芯燃料球離散模擬　出處：《中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：氟鹽冷卻球床堆(PB-FHR)是一種新型的第四代核反應(yīng)堆,采用氟鹽作為一回路冷卻劑和高溫氣冷堆的燃料球作為燃料,具有較好的安全性和經(jīng)濟性。與氣固系統(tǒng)中顆粒-流體耦合運動特性不同,堆芯內(nèi)部固液兩相密度接近且燃料球尺寸在厘米量級。低密度比導(dǎo)致堆積構(gòu)建的計算非常耗時,大的顆粒半徑又不符合傳統(tǒng)DEM-CFD耦合方法所要求的流體計算網(wǎng)格足夠大的假設(shè)。針對堆芯內(nèi)部燃料球-冷卻劑的耦合運動特性,本論文提出了適用于PB-FHR堆芯燃料球的離散分析方法并初步構(gòu)建了三步式分析流程,包括顆粒堆積的形成,堆積包絡(luò)面信息的提取和兩相耦合運動的計算。首先是初始燃料球堆積的構(gòu)建。PB-FHR堆芯內(nèi)部由于顆粒-流體密度相近,凈浮力只有重力加速度的約十分之一,小的凈浮力導(dǎo)致堆積中小的顆粒間重合量和很小的離散元模擬時長。另外,反應(yīng)堆安全分析中需要考察不同孔隙率的燃料球堆積對后續(xù)物理熱工設(shè)計的影響。針對這三個問題,本文提出了圓柱容器內(nèi)生成單粒徑顆粒堆積的兩階段重力落球算法(TGM算法),可以在同一套程序框架內(nèi)提升計算效率,控制顆粒間的平均重合量并且可以在大范圍內(nèi)調(diào)控堆積孔隙率。其次是燃料球堆積的信息提取。生成顆粒堆積之后,只用整體的平均孔隙率來評估堆積質(zhì)量是不全面的,往往還需要進行單顆粒尺度上的信息提取來描述堆積特征。為此本論文提出了基于單個顆粒尺度的Voronoi-Delaunay剖分算法(SVD算法)。算法可以在單個顆粒的尺度上提取堆積內(nèi)部任意顆粒的配位數(shù),堆積內(nèi)空洞拓撲的檢測,三維孔隙率分布及包絡(luò)面的提取等等。目前論文主要研究了工程中關(guān)心的裝料后燃料球包絡(luò)面的問題,通過提取振動后顆粒堆積的包絡(luò)面,從拓撲演化的角度揭示了近壁面顆粒結(jié)晶化是導(dǎo)致振動密實效應(yīng)的原因之一。最后是計算顆粒-流體間的耦合運動。針對傳統(tǒng)DEM-CFD算法要求流體計算網(wǎng)格足夠大這個限制,本論文提出了針對一般流體域的基于雙網(wǎng)格的兩相耦合算法(PB-FHR DEMCFD算法)。在顆粒和流體部分分別各自引入一套粗網(wǎng)格,粗的顆粒計算網(wǎng)格和流體計算網(wǎng)格之間的信息交換通過插值來完成。在此之上顆粒和流體部分均需維護流體壓力,流體速度,孔隙率以及顆粒速度這四個場量來完成兩相耦合力的計算。基于雙網(wǎng)格的耦合算法解除了流體計算網(wǎng)格和顆粒直徑之間的耦合,適用于復(fù)雜流場的模擬。通過對氣固系統(tǒng)中三個典型基準算例的校核證明了算法對傳統(tǒng)氣-固系統(tǒng)的適用性。為了進一步考察算法對非規(guī)則區(qū)域流固強耦合工況的適用性,本論文搭建了縮比實驗臺架來仿真低密度差的強耦合工況,聚丙烯塑料球和水分別代替燃料球和冷卻劑,模擬和實驗結(jié)果非常吻合,初步證明了該算法對堆芯燃料球運動仿真的準確性。
[Abstract]:Fluorine salt cooled ball bed reactor (PB-FHR) is a new type of 4th generation nuclear reactor. Fluorine salt is used as primary coolant and fuel ball of high temperature gas cooled reactor as fuel. It has good safety and economy. It is different from the gas-solid system in the particle fluid coupling motion characteristics. The solid-liquid two-phase density in the core is close and the size of the fuel sphere is in the order of cm. The calculation of the stacking structure due to the low density ratio is very time-consuming. The large particle radius does not accord with the assumption that the fluid computational grid is large enough for the traditional DEM-CFD coupling method. In this paper, a discrete analysis method for PB-FHR core fuel spheres is proposed and a three-step analysis process is constructed, including the formation of particles. The extraction of packing envelope information and the calculation of two-phase coupled motion. Firstly, the initial fuel sphere stacking. PB-FHR core core due to similar particle-fluid density. The net buoyancy is only about 1/10 of the acceleration of gravity, and the small net buoyancy results in the amount of overlap between small and medium particles and the very small simulation time of discrete element. In the reactor safety analysis, it is necessary to investigate the influence of fuel ball accumulation with different porosity on the subsequent physical thermal design. In this paper, a two-stage gravity ball dropping algorithm is proposed to generate single particle stacking in a cylindrical container, which can improve the calculation efficiency within the same program framework. The average overlap between particles is controlled and the accumulation porosity can be controlled on a large scale. Secondly, the information of fuel ball accumulation is extracted. It is not comprehensive to use the overall average porosity to evaluate the stacking quality. It is often necessary to extract information from single particle scale to describe the stacking feature. In this paper, a single particle scale based Voronoi-Delaunay algorithm is proposed. The algorithm can extract the coordination number of arbitrary particles in a single particle on the scale of a single particle. The detection of the cavity topology, the three-dimensional porosity distribution and the extraction of the envelope surface, etc. At present, the paper mainly studies the problem of the fuel ball envelope surface which is concerned in the engineering. The envelope surface of vibrating particles was extracted. From the perspective of topological evolution, it is revealed that the crystallization of particles near the wall is one of the causes of vibration compaction. Finally, the coupled motion between particle and fluid is calculated. According to the traditional DEM-CFD algorithm, fluid computation is required. The grid is large enough for this limitation. In this paper, a two-phase coupling algorithm based on two-grid is proposed for general fluid domain. A set of coarse meshes are introduced into the particle and fluid parts, respectively, in the PB-FHR DEMCFD algorithm. The information exchange between coarse particle computing mesh and fluid computing grid is completed by interpolation. On this basis, both the particle and the fluid part need to maintain fluid pressure and fluid velocity. Porosity and particle velocity are the four fields to complete the calculation of the coupling force of two phases. The coupling algorithm based on double grids is used to decouple the coupling between the fluid computational grid and the particle diameter. The applicability of the algorithm to conventional gas-solid systems is proved by checking three typical benchmark examples in gas-solid systems. In order to further investigate the fluid-solid coupling conditions in irregular regions, the proposed algorithm is suitable for the simulation of complex flow fields. The applicability of. In this paper, an experimental bench was built to simulate the strong coupling of low density difference. Polypropylene plastic ball and water replace fuel ball and coolant respectively. The simulation results are in good agreement with the experimental results. The accuracy of the algorithm for the motion simulation of the core fuel ball is preliminarily proved.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL351.1

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本文編號：1383543