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1、学 号_密 级_XXX工程大学学士学位论文无网格法在射流FCI中的应用研究院（系）名 称：核科学与技术学院专 业 名 称：核工程与核技术学 生 姓 名：XXX指 导 教 师：XXX 副教授XXX工程大学2015 年 6 月学 号_密 级_无网格法在射流FCI中的应用研究Application and Study of Mesh-free Method in the Fuel-Coolant Interaction of Jet 学 生 姓 名：XXX所 在 学 院：核科学与技术学院所 在 专 业：核工程与核技术指 导 教 师：XXX职 称：副教授所 在 单 位：XXX工程大学论文提交日期：20
2、15年6月？日论文答辩日期：2015年6月？日学位授予单位：XXX工程大学无网格法在射流FCI中的应用研究摘 要金属燃料堆芯破损事故(Core Disruptive Accident,CDA)及其导致的熔融金属材料与冷却剂液态钠接触的相互作用(Fuel-Coolant Interaction,FCI),是国际上金属燃料钠冷快堆堆芯安全研究面临的一个重点和难点问题。本文以FCI严重堆芯事故为背景，选用移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-implicit method,MPS)，研究分析关键的物理模型和涉及到的多种边界条件，如核函数、梯度算子模型、Laplace算子模型、不
3、可压缩条件、自由表面条件、固体边界条件和时间步长条件等，对边界条件的定义，增加了数值计算的稳定性，提高了计算效率；通过编写Fortran语言程序来数值模拟所建立的模型，对数值模拟结果进行研究分析，选取程序中的关键步骤进行分析，如粒子初始化布置有效避免了计算的发散，粒子搜索方法的改进优化了程序的计算过程等。本文将建立出的数值模拟Fortran语言编写的程序，应用于FCI中的射流工况。首先固定射流初始温度为1450，初始速度从1m/s增加到5m/s，其次固定初始速度为3m/s，初始温度从1450增加到1750。通过对两次模拟结果的比较，分析其水力运动状态和热量传递过程，发现在此范围内，初始速度对事
4、故的影响极为严重，而初始温度对于传热过程的影响不大，因此关键在于严格控制初始速度，这一结果对反应堆事故分析有一定的意义。关键词：FCI；移动粒子半隐式法；射流ABSTRACTCore Disruptive Accident(CDA)and Fuel-Coolant Interaction(FCI) caused by CDA, is the international metal sodium-cooled fast reactor core fuel safety research faces an important and difficult problem. In this paper
5、, it is attempted to apply Moving Particle Semi-implicit method(MPS) to the study of severe core disruptive accidents by MPS modeling, analyse critical models and involved boundary conditions, such as kernel function, the gradient operator model, Laplace operator model, incompressible conditions, fr
6、ee-surface conditions, the solid boundary conditions and time step conditions. By defining boundary conditions, it increases the stability of numerical computing and computational efficiency. Writing Fortran language program to simulate the established numerical model, numerical simulation results o
7、f research and analysis, selecting the key step in the program to research. For example, particle arrangement effectively avoids improved initialization calculated divergence, the search method to optimize the particle calculation procedures. Built Simulation programs written in Fortran language in
8、this paper, it applied to the FCI of Jet conditions. First, the initial temperature of the fixed jet 1450,initial velocity from 1m/s to 5m/s, followed by a fixed initial rate of 3m/s, the initial temperature from 1450 to 1750. By comparing the two simulation results to analyze the hydraulic motion a
9、nd heat transfer processes found within this range, the effect of the initial velocity of the accident is very serious, and not the initial temperature of the heat transfer process in effect, so the key is to strictly control initial velocity, which has a certain significance in the actual accident
10、analysis.Key words：Fuel-Coolant Interaction；Moving Particle Semi-implicit method；Jet目 录第1章 绪论11.1引言11.2课题背景11.2.1 FCI事故国外的研究现状21.2.2 FCI事故国内的研究现状21.3无网格模拟方法的发展及应用21.4移动粒子半隐式法(MPS)的发展及应用31.4.1 MPS方法国外的研究情况41.4.2 MPS方法国内的研究情况41.5主要研究内容与章节安排51.5.1 主要研究内容51.5.2 章节安排5第2章 MPS方法理论基础62.1 引言62.2控制方程62.3粒子间相互
11、作用模型72.3.1 核函数的定义72.3.2 核函数的尺度82.3.3 粒子数密度92.3.4 物理光滑模型92.3.5梯度算子模型和 Laplace 算子模型102.4不可压缩性条件112.5自由表面条件112.6固体壁面边界条件122.7时间步长条件132.8 MPS 方法的数值计算流程及程序实现过程132.8.1 MPS 方法的数值计算流程132.8.2 MPS 方法的程序实现142.9本章小结19第3章 MPS 方法在FCI射流事故中的应用203.1 FCI 中射流入射过程的分析203.1.1 建立FCI射流模型203.1.2 FCI中射流情况的数值模拟结果与分析223.2 本章小结
12、29结 论30参考文献31致 谢3341第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言一直以来，对水动力学流场的物理问题的数值求解，主要是将所求区域的流场离散化，用有限个节点的值所形成的集合代替所求区域的流体流场，通过求解有限个粒子的值按一种特定的方法所形成的代数方程，以求得所要求的物理量。在求解水动力学流场的Navier-Stokes方程中，所应用的基本方法有网格法和无网格法。其中，在最先开始的网格法中，有一部分的方法被称作为拉格朗日网格法，其中最著名的方法为PIC( Particle in Cell)法，其基本特点将一定区域的流体流场用欧拉方法划分成众多但有限个网格，将一定的离散化的拉格朗日的流体内
13、点表示整个网格区域的流体流场。另一部分的方法被称作为欧拉网格法，其中主要的方法包括VOF(Volume of Fluid Method)法、Level Set方法和Particle Level Set方法，均是在存在自由表面的流体流场的数值计算中，需要对流体所存在的自由表面位置进行一定程度的追踪方法。但网格法存在自身的局限性，除了比较明显的因对所计算区域进行网格划分较麻烦而造成的耗时长的缺点外，还包括对于面对控制方程中对流项所具有的耗散情况的处理时，由于流动区域内流体形状的复杂程度或运动边界的不确定性，导致计算精度下降的问题。与此同时，近些年，无网格法以其特有的优点引起了学术界的关注。虽然在网
14、格法中对于采取用非结构化网格来对流体计算日趋流行，但在对欧拉无网格方法的使用一直被理解为等同于一种特殊的非结构网格法。因此本文下面主要介绍的是基于拉格朗格日的无网格方法。1.2 课题背景由金属燃料堆芯破损事故(Core Disruptive Accident，CDA)所引发的熔融状态下的金属材料同以液态钠构成的冷却剂相互碰触而发生的 (Fuel-Coolant Interaction，FCI)反应,一直以来在国际上，都是以金属材料作为燃料元件的钠冷快堆，在研究堆芯安全方面所遇到的一个重要并且困难的挑战。在FCI发生时,高温熔融状态下的金属材料与相对低温的冷却剂液态钠之间存在有巨大温差，导致两流
15、体相互接触处产生明显的相变,相变中的汽化爆炸项,会导致蒸汽内部压强瞬间发生变化,这大大增强了两流体之间热量的传递，同时，蒸汽的爆炸对与堆芯内部会产生巨大的影响，容易造成严重事故。从上世纪七十年代开始,在反应堆堆芯内部安全、冶金事故研究等领域都开始着重研究FCI现象1-5。对于快中子增值反应堆，燃料组件的三角形栅格布置比同等情况下的正方形的栅格布置具有更高的快中子增殖堆燃料体积份额，由于燃料体积份额的提高会导致快中子增殖堆泄露的减小，从而使得堆芯内易裂变材料装载量的减少。基于此，在快中子增殖堆的初步设计中，较为普遍地选择采用三角形栅格结构或者六角形栅格结构。而各个国家对于快堆中燃料材料的选择也日益相同，金属材料或者相应的氧化物作为堆芯材料已成为主流的选择，相对于氧化物材料，金属材料具有天生的优越性：热导率高、增殖比大、燃耗深和固有安全性好等；同时，缺点也是不可忽略的，金属燃
