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。

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。

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：

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。

【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。

直翅片(左)和螺旋翅片(右)

覆层表面的流体流动路径

【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。

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)

【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。

【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。

双射流结构的颗粒浓度云图

【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。

段塞流实验和仿真计算可视化图

【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。

连接泵模拟器和反应堆冷却段

实验和仿真的温度在反应堆冷却管路

不同高度的变化

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。

Pro-icFLOW的界面

icFLOW的网格案例

icFLOW的应用案例