《高溫氣冷堆石墨散體結構中窄縫旁流的建模與分析》是依託清華大學，由孫俊擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高溫氣冷堆石墨散體結構中窄縫旁流的建模與分析
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：孫俊
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高溫氣冷堆的堆芯是由大量石墨塊堆疊而成的散體結構，稠密氦氣流經石墨塊間的窄縫，形成堆芯旁流，會改變堆芯的流量與溫度分布，影響反應堆運行安全。窄縫的尺度小、數量多、結構與連通關係複雜，窄縫內的流動特性以及窄縫旁流的分布規律至今還不明確，需要深入研究。本項目採用分子動力學方法研究稠密氣體的壁面效應，提煉的壁面模型可用於窄縫流的計算流體力學(CFD)建模計算；通過合理劃分窄縫網路明確其CFD模型的進出口邊界條件，進而研究不同尺度、複雜結構窄縫流的流動特性，併合理等效為流體網路模型；將所有窄縫的旁流流體網路與球床等主流通道的流體網路合併，建立完整而詳盡的堆芯流體網路模型，並耦合中子動力學、固體傳熱等模型，可以實現窄縫旁流分布的準確預測及其對堆芯多物理場的影響分析，明確窄縫旁流的分布規律以及關鍵的窄縫旁流位置，從而促進高溫氣冷堆的深化設計與研究。
結題摘要
高溫氣冷堆的堆芯是由大量石墨塊堆疊而成的散體結構，稠密氦氣流經石墨塊間的窄縫，形成堆芯旁流，會改變堆芯的流量與溫度分布，影響反應堆運行安全。窄縫的尺度小、數量多、結構與連通關係複雜，窄縫內的流動特性以及窄縫旁流的分布規律至今還不明確，需要深入研究。本項目採用分子動力學方法建立了稠密氦氣在石墨壁面間導熱的分子模型，研究了氣體分子在石墨壁面的能量交換情況並計算了熱協調係數，其溫度跳躍等壁面效應影響範圍有限，在反應堆中毫米量級窄縫旁流通道中無影響；研究了稠密氦氣在毫米量級石墨窄縫中的流動問題，通過深入的計算流體力學(CFD)建模分析並與實驗結果對比，明確了邊界層格線劃分原則以及相關湍流模型的適用性，RNG k-ε模型結合增強壁面處理以及SST k-ω模型均能將壓降計算誤差控制在10%以內；研究了側反射層豎縫旁流問題，分別建立其流體網路模型以及CFD模型，明確了堆芯不同高度球床與豎縫間的橫向流動方向與流量大小，堆芯上部由窄縫流向球床，下部由球床流向堆芯，堆芯上部的結構對堆芯主要部分的旁流影響很小，旁流比例主要受豎縫尺寸大小影響，當豎縫尺寸在堆芯高度一致為1.6mm時，堆芯底部的旁流比例約為2%，隨著豎縫尺寸的增大，旁流比例增高；針對高溫氣冷堆的堆芯結構進行了詳細的流道分析，明確了主要的窄縫旁流通道及其連通關係，對局部窄縫開展CFD建模並獲取其阻力特性，通過合理劃分與等效，形成了節點數為6000的完整旁流流體網路模型，進一步與球床等主流通道的流體網路合併，並耦合中子動力學、固體傳熱等模型，實現了對不同反應堆運行狀態下窄縫旁流分布的預測及其對堆芯多物理場的影響分析，總旁流比例在反應堆運行初期時約為5.74%，運行末期時為8.89%。本項目從基礎研究出發，不僅揭示了複雜反應堆堆芯結構中的旁流分布規律，豐富了研究手段，加深了對高溫氣冷堆運行時熱工流體狀態的理解，也為推動高溫氣冷堆的工程實現、安全審評提供了有力支撐。
