CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

 

11月15日-17日, 2022中国核能高质量发展大会暨深圳国际核能产业创新博览会(简称“2022深圳核博会”)在深圳国际会展中心隆重举办。

 

CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

 

IDAJ作为ANSYS重要合作伙伴,携Ansys旗舰级仿真软件(Ansys Fluent,Ansys Mechanical等)及开源CFD软件亮相16号馆N28展台。IDAJ技术专家向来访观众展示了IDAJ产品在核能领域的仿真场景及行业应用。

CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

 

01

Ansys产品在核电领域的应用

核能作为一种高效能源,已经被广泛地运用于医学、科技、信息、环境、材料、工农业、国家安全等各个领域,像医学放射治疗、生物辐射育种、地质年代的推断、文物珍品的鉴定、矿产资源的勘探等等。核工程领域聚焦核能的安全利用、核电站运行优化与自动控制等场景,具有技术水平要求高的特点。

 

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CAE 即计算机辅助设计(Computer Aided Engineering),工程师使用CAE仿真可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析,对其未来的工作状态和运行行为模拟,及早发现设计缺陷,并验证及预测产品功能和性能等。CAE涵盖领域包括有限元分析(FEA)、计算流体动力学(CFD)、多体动力学(MBD)、优化等。在核工程领域CAE仿真技术已经得到了深入的应用,在诸多场景下展示出仿真的价值,如核反应堆事故模拟、乏燃料的储存和处置、确认与标定、安全设计及反应堆设计、反应堆热工水力分析、电站环境选址等。

 

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以计算流体动力学(CFD)为例,在反应堆设计中可以进行多种场景仿真,如:

 

  • 氢气混合和燃烧

  • 在蒸汽发生器的次级侧沸腾两相流

  • 界面摩擦和传热速率的影响

  • 气冷反应堆的In-vessel和ex-vessel流现象

  • 冷管段(coldlegs)热分层

  • 提高设计的热工性能

  • 调查与燃料管理和可靠性相关的现象等

 

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由于混合叶片

而产生的旋流

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 加压热冲击

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SG进气静压箱流量分布

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 运输容器壁温度分布

 

Ansys旗舰级仿真软件(Ansys Fluent,Ansys Mechanical等)具有求解精度高、过程稳健性好、用户交互友好等特色,在核工程领域有丰富的应用案例。

低铀核燃料设计

【案例描述】:Ansys Mechanical评估低铀燃料的导热系数,Ansys Fluent模拟三种传热模式:对流、传导和辐射。数值模拟预测可为候选燃料设计的性能和安全性分析提供支持,在不同的功率和入口流量条件下观察到的趋势将有助于优化物理实验的性能和安全性。

 

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ANSYS力学模型中

的典型粒子分布

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热导率随着相互作用层

体积分数的增加而降低

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直翅片(左)和螺旋翅片(右)

覆层表面的流体流动路径CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

核反应堆冷却系统温度梯度预测

【案例描述】:堆芯冷却时紧急注入冷水发生的压热冲击威胁反应堆压力容器寿命,当冷水与压力容器壁接触时,可能会导致较大的温度梯度,从而导致容器壁的高应力。利用Ansys CFX软件对冷却管路的复杂湍流混合分层现象进行了准确预测。冷却管路的最低温度是决定热冲击严重程度的重要因素,其计算值与实验值误差在3%以内。

 

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容器冷却管壁的温度

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ECC注入冷却系统

中间截面的温度

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ANSYS CFX参考计算结果(左)

和UPTF实验结果(右)

数字表示冷却管路的高度(1 =顶部,6 =底部)

 

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核废料自然对流冷却

【案例描述】:通过ANSYS Fluent对用于乏燃料储存和运输的VSC-17系统的传热性能建模,燃料棒产生的热量通过自然对流流动传递,计算温度值和实验温度值一致性良好。

 

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VSC-17 结构体

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 平面上的温度等值线

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z = 3850 mm处径向

温度分布的比较

 

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容器内壁温度比较CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

核废料的脉冲射流混合仿真

【案例描述】:通过Ansys Fluent欧拉颗粒多相模型预测固体分布,自定义函数控制瞬态边界条件,并跟随固体浓度在喷嘴内流动,对比仿真与实验结果:发现CFD模拟预测的浓度略低于在较低海拔的实验,但两者非常接近,说明CFD模拟足以评定脉冲射流混合器的性能。

 

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双射流结构的颗粒浓度云图

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脉冲射流混合器设计

 

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仿真计算固体颗粒

体积分数和实验数据比较CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

段塞流仿真

【案例描述】:段塞流是水平管道中常见的一种多相流状态,液体间断地充满管道横截面积。液塞携带着显著的能量,加上其强烈的振荡压力,对管线系统的结构有很大的威胁。实验过程中分别控制空气和水的流量。根据不同的流速,可以观察到不同的流态,包括分层流(平滑和波浪状)、段塞流和长气泡流。使用完整的欧拉-欧拉(非均匀)多相模型,在段塞形成、前进速度和破断方面,仿真计算数据与实验的结果定性上保持一致。

 

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段塞流实验和仿真计算可视化图CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

失水事故仿真

【案例描述】:Ansys CFX模拟冷却剂损失事故期间压水堆(PWR)冷却段的瞬态传热自由表面流动。40秒后,由于冷却剂的注入,在水中观察到热分层,而自由表面以上的温度保持不变。喷管处截面冷却开始得更早,由于注入,自由表面高度增加。仿真数据中高频变化没有被捕捉到,这可能是由于统计湍流模型无法解决高频瞬态振荡所致。自由表面模型能较好地模拟压水堆冷却剂损失事故中的瞬态自由表面流动。

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连接泵模拟器和反应堆冷却段

 

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实验和仿真的温度在反应堆冷却管路

不同高度的变化

 

靠近下水管出口的截面

 靠近喷嘴的截面

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02

基于开源代码的通用CFD软件-icFLOW

icFLOW是由IDAJ开发的通用CFD软件包,它由前、后处理器Pro-icFLOW和核心CFD求解器icFLOW组成。其中Pro-icFLOW基于VTK进行开发。求解器icFLOW基于开源CFD软件OpenFOAM进行开发,遵循GPL协议。

 

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Pro-icFLOW的界面CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

icFLOW的特点

保留了开源CFD软件的优点:

 

  • 低成本的大规模计算- CPU数量的增加不会带来软件使用费的增加

  • 对同时运行的计算(进程)数量没有限制

  • 解决了开源CFD软件的诸多缺点:

  • 提供方便易用的前后处理工具:Pro-icFLOW

  • 网格改进

  • 对底层代码的改进和提高(基本插值方法,梯度求解方法和差分格式等)

  • 基于IDAJ的经验对相关物理模型进行修改,或增加新的物理模型

  • IDAJ可提供强有力的技术支持(一般技术支持、技术咨询和模型开发等)CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

icFLOW的网格功能

  • 几何包面功能

  • 六面体为主体的网格

  • 多种功能的体网格加密

  • 基于曲率和特征线步长的面网格加密

  • 基于自动探测、特征线过滤和自动表面交叉的特征线生成

  • 多种边界层网格生成算法

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icFLOW的网格案例CAE仿真技术在核工程领域的应用| IDAJ精彩亮相2022深圳核博会

icFLOW的物理模型

  • 常规冷、热流动

  • 流固热耦合

  • VOF两相流

  • 拉格朗日多相流

  • 欧拉多相流

  • 动网格

  • 跨声速模块

  • 声学模拟

  • 化学反应

  • 透平机械

  • 优化模型

 

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icFLOW的应用案例

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关于Ansys

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ANSYS公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡,是世界领先的工程仿真软件供应商,40年间为全球各行各业产品研发与优化提供能完全集成多物理场仿真软件工具的通用平台。ANSYS提供综合全面的工程仿真解决方案套件,使用户几乎能访问其设计流程所需的任何领域的工程仿真。从设计理念到最终测试阶段,验证并排除新产品的设计问题,ANSYS软件能够显著加快设计和开发周期,降低成本,洞察新产品性能。

 

 

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