11月15日-17日， 2022中國核能高質量發(fā)展大會暨深圳國際核能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新博覽會(簡稱“2022深圳核博會”)在深圳國際會展中心隆重舉辦。
IDAJ作為ANSYS重要合作伙伴，攜Ansys旗艦級仿真軟件(Ansys Fluent，Ansys Mechanical等)及開源CFD軟件亮相16號館N28展臺。IDAJ技術專家向來訪觀眾展示了IDAJ產(chǎn)品在核能領域的仿真場景及行業(yè)應用。
1、Ansys產(chǎn)品在核電領域的應用
核能作為一種高效能源，已經(jīng)被廣泛地運用于醫(yī)學、科技、信息、環(huán)境、材料、工農(nóng)業(yè)、國家安全等各個領域，像醫(yī)學放射治療、生物輻射育種、地質年代的推斷、文物珍品的鑒定、礦產(chǎn)資源的勘探等等。核工程領域聚焦核能的安全利用、核電站運行優(yōu)化與自動控制等場景，具有技術水平要求高的特點。
CAE 即計算機輔助設計(Computer Aided Engineering)，工程師使用CAE仿真可以對工程和產(chǎn)品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為模擬，及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷，并驗證及預測產(chǎn)品功能和性能等。CAE涵蓋領域包括有限元分析(FEA)、計算流體動力學(CFD)、多體動力學(MBD)、優(yōu)化等。在核工程領域CAE仿真技術已經(jīng)得到了深入的應用，在諸多場景下展示出仿真的價值，如核反應堆事故模擬、乏燃料的儲存和處置、確認與標定、安全設計及反應堆設計、反應堆熱工水力分析、電站環(huán)境選址等。
以計算流體動力學(CFD)為例，在反應堆設計中可以進行多種場景仿真，如：
• 氫氣混合和燃燒
• 在蒸汽發(fā)生器的次級側沸騰兩相流
• 界面摩擦和傳熱速率的影響
• 氣冷反應堆的In-vessel和ex-vessel流現(xiàn)象
• 冷管段(coldlegs)熱分層
• 提高設計的熱工性能
• 調查與燃料管理和可靠性相關的現(xiàn)象等
Ansys旗艦級仿真軟件(Ansys Fluent，Ansys Mechanical等)具有求解精度高、過程穩(wěn)健性好、用戶交互友好等特色，在核工程領域有豐富的應用案例。
低鈾核燃料設計
【案例描述】：Ansys Mechanical評估低鈾燃料的導熱系數(shù)，Ansys Fluent模擬三種傳熱模式：對流、傳導和輻射。數(shù)值模擬預測可為候選燃料設計的性能和安全性分析提供支持，在不同的功率和入口流量條件下觀察到的趨勢將有助于優(yōu)化物理實驗的性能和安全性。
核反應堆冷卻系統(tǒng)溫度梯度預測
【案例描述】：堆芯冷卻時緊急注入冷水發(fā)生的壓熱沖擊威脅反應堆壓力容器壽命，當冷水與壓力容器壁接觸時，可能會導致較大的溫度梯度，從而導致容器壁的高應力。利用Ansys CFX軟件對冷卻管路的復雜湍流混合分層現(xiàn)象進行了準確預測。冷卻管路的最低溫度是決定熱沖擊嚴重程度的重要因素，其計算值與實驗值誤差在3%以內。
核廢料自然對流冷卻
【案例描述】：通過ANSYS Fluent對用于乏燃料儲存和運輸?shù)腣SC-17系統(tǒng)的傳熱性能建模，燃料棒產(chǎn)生的熱量通過自然對流流動傳遞，計算溫度值和實驗溫度值一致性良好。
核廢料的脈沖射流混合仿真
【案例描述】：通過Ansys Fluent歐拉顆粒多相模型預測固體分布，自定義函數(shù)控制瞬態(tài)邊界條件，并跟隨固體濃度在噴嘴內流動，對比仿真與實驗結果：發(fā)現(xiàn)CFD模擬預測的濃度略低于在較低海拔的實驗，但兩者非常接近，說明CFD模擬足以評定脈沖射流混合器的性能。
段塞流仿真
【案例描述】：段塞流是水平管道中常見的一種多相流狀態(tài)，液體間斷地充滿管道橫截面積。液塞攜帶著顯著的能量，加上其強烈的振蕩壓力，對管線系統(tǒng)的結構有很大的威脅。實驗過程中分別控制空氣和水的流量。根據(jù)不同的流速，可以觀察到不同的流態(tài)，包括分層流(平滑和波浪狀)、段塞流和長氣泡流。使用完整的歐拉-歐拉(非均勻)多相模型，在段塞形成、前進速度和破斷方面，仿真計算數(shù)據(jù)與實驗的結果定性上保持一致。
失水事故仿真
【案例描述】：Ansys CFX模擬冷卻劑損失事故期間壓水堆(PWR)冷卻段的瞬態(tài)傳熱自由表面流動。40秒后，由于冷卻劑的注入，在水中觀察到熱分層，而自由表面以上的溫度保持不變。噴管處截面冷卻開始得更早，由于注入，自由表面高度增加。仿真數(shù)據(jù)中高頻變化沒有被捕捉到，這可能是由于統(tǒng)計湍流模型無法解決高頻瞬態(tài)振蕩所致。自由表面模型能較好地模擬壓水堆冷卻劑損失事故中的瞬態(tài)自由表面流動。
2、基于開源代碼的通用CFD軟件-icFLOW
icFLOW是由IDAJ開發(fā)的通用CFD軟件包，它由前、后處理器Pro-icFLOW和核心CFD求解器icFLOW組成。其中Pro-icFLOW基于VTK進行開發(fā)。求解器icFLOW基于開源CFD軟件OpenFOAM進行開發(fā)，遵循GPL協(xié)議。
icFLOW的特點
• 保留了開源CFD軟件的優(yōu)點：
• 低成本的大規(guī)模計算- CPU數(shù)量的增加不會帶來軟件使用費的增加
• 對同時運行的計算(進程)數(shù)量沒有限制
• 解決了開源CFD軟件的諸多缺點：
• 提供方便易用的前后處理工具：Pro-icFLOW
• 網(wǎng)格改進
• 對底層代碼的改進和提高(基本插值方法，梯度求解方法和差分格式等)
• 基于IDAJ的經(jīng)驗對相關物理模型進行修改，或增加新的物理模型
• IDAJ可提供強有力的技術支持(一般技術支持、技術咨詢和模型開發(fā)等)
icFLOW的網(wǎng)格功能
• 幾何包面功能
• 六面體為主體的網(wǎng)格
• 多種功能的體網(wǎng)格加密
• 基于曲率和特征線步長的面網(wǎng)格加密
• 基于自動探測、特征線過濾和自動表面交叉的特征線生成
• 多種邊界層網(wǎng)格生成算法
icFLOW的物理模型
• 常規(guī)冷、熱流動
• 流固熱耦合
• VOF兩相流
• 拉格朗日多相流歐拉多相流
• 動網(wǎng)格
• 跨聲速模塊
• 聲學模擬
• 化學反應
• 透平機械
• 優(yōu)化模型
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