基于多物理耦合及降阶模拟的流化床核反应堆动力学特性研究

This project intends to use a conceptual fluidized bed nuclear reactor as the objective, to explore a method analyzing dynamics of complex multi-physics coupling problems. Firstly, a multi-dimensional transient finite element simulation model of fluidized bed nuclear reactor, coupled neutron radiation (in full phase space) and multiphase gas-solid flow and heat transfer, will be established to investigate the coupling strategy and algorithm. The numerical simulation can reveal the inherent operation characteristics of the new type of reactor and corresponding nonlinear feedback mechanisms. On this basis, a combination of In Situ Adaptive Tabulation (ISAT) and double order reduction based on subspace intersection is proposed for reduced order modeling of the multi-physics coupled system. The reduced order models are used to analyze the changes of system structural stability under certain conditions which lead to bifurcation, saltation and chaos. And these changes will have impact on stable operations and safety of the energy power system. Eventually to establish a suitable framework to analyzing dynamic characteristics of energy power systems. Through this project, it is expected to provide a solution, and ultimately to exploit a new research field, for solving the problems concerning modeling and control of complicated nonlinear phenomena in energy systems.

本申请项目拟以概念性的流化床核反应堆为研究对象，探索一种复杂多物理耦合问题的动力学分析方法。首先建立耦合全相空间中子传递、气-固多相流动及传热的流化床核反应堆有限元多维瞬态仿真模型，研究实现三者耦合的策略及算法，通过数值模拟揭示该新型反应堆的内在运行机理特性及相关的非线性反馈机制。以此为基础，提出一种自适应建表（ISAT）与基于子空间相交的双重降阶模拟相结合的混合方法实现反应堆复杂多物理耦合模型的降阶模拟， 以分析在特定条件下系统的结构稳定性发生改变，出现分岔、突变以至混沌，影响能源动力系统的稳定运行和安全的因素，最终初步建立起适合能源动力系统动力学特性的分析体系。通过本项目的研究，可望为解决复杂能源动力系统中所出现的复杂非线性现象的建模和控制面临的诸多难题提供一种解决方案，并开拓一个新的研究领域。

本项目以概念性的流化床核反应堆为研究对象，发展了一种在统一的计算环境中对复杂多物理耦合问题进行模拟及动力学分析的方法，深入揭示了流化床核反应堆的内在机理和规律。 .首先建立耦合全相空间中子传递、气-固多相流动及传热的流化床核反应堆有限元多维瞬态仿真模型，实现了三者耦合模拟的策略及算法，通过数值模拟揭示了该新型反应堆的内在运行机理特性及相关的非线性反馈机制。以此为基础，提出了一种实现反应堆复杂多物理耦合模型的降阶模拟方法，以分析在特定条件下系统的结构稳定性发生改变，出现分岔、突变以至混沌，影响能源动力系统的稳定运行和安全的因素，最终初步建立了起适合能源动力系统动力学特性的分析体系。.本项目研究取得以下成果：.1..建立起了多物理强耦合问题的详细有限元模拟方法，发展了高效的降阶模拟方法；初步形成了复杂多物理耦合问题的动力学研究体系。.2..发表高水平学术论文18篇，其中SCI收录论文8篇，国内顶级期刊论文3篇，国内外学术会议论文7篇。目前在投论文3篇。培养青年教师2名、博士研究生2名，硕士研究生3名。.本项目的研究为能源应用领域中复杂多物理耦合系统的基础研究、系统综合、设计、集成以及综合分析工具的开发提供新的理论方法，充实了热力系统动态学的学科内涵，拓展其应用领域，促进学科发展，有助于形成具有更强综合性的交叉学科。