混合法研究钠冷快堆事故后碎片床自平现象

钠冷快堆事故后碎片床自平现象是堆芯熔融物迁移现象的一部分，也是模拟最困难的一部分，整个现象涉及碎片（固体），冷却剂钠（液体）以及钠蒸汽（气体），是一个固－液－气三相流动过程，现象复杂，在具有较强冷却能力钠的冷却下，碎片固体特征明显，流固耦合性强。现有事故分析程序要么回避此过程，要么模拟精度太差。.本课题对液相建立体积平均后变量的控制方程，以引入可以通过相间边界相互作用的相间作用力，方程用SIMPLE算法求解；用VOF模型构建气泡界面以扑捉气泡的运动；将碎片简化为若干球形粒子，在拉格朗日座标系下采用改进的离散要素法来模拟其运动，采用预测－修正方法求解。欧拉座标系下的计算流体动力学和拉格朗日座标系下改进的离散要素法通过采用气泡诱因力学模型确定的气固作用力、采用连续表面力学模型给出的气液作用力以及运用牛顿运动第三定律在各自座标系内建立映射关系的液固之间作用力和反作用力强耦合起来，构建成混合法。

钠冷快堆作为第四代反应堆的备选堆型之一，其安全性一直得到国际社会的广泛关注。在钠冷快堆主要关注的假想堆芯解体事故（CDA）中，熔融的堆芯会在堆芯下支撑构件或者压力容器的下腔室内形成近似圆锥状的碎片床，过冷的冷却剂钠在衰变热的加热下会沸腾变成钠蒸汽，钠蒸汽穿过碎片床时会导致碎片床的形状发生变化，从初始时的近似圆锥状逐渐展平，这就是所谓的碎片床“自平”现象。碎片床的自平过程对于碎片床的排热能力、再临界和后续的严重事故进程具有重要意义。.钠冷快堆严重事故后碎片床自平现象机理复杂，整个现象涉及碎片（固体），冷却剂钠（液体）以及钠蒸汽（气体），是一个固－液－气三相流动过程，现象复杂；在具有较强冷却能力的液态金属钠的冷却作用下，流动过程中固体特征明显，流固耦合性强。现有的事故分析程序均回避对此过程的模拟，采用较保守的假定。针对这一机理复杂的多相流动，本课题围绕对自平过程起主导作用的固体，基于拉格朗日坐标系采用改进的离散要素法（DEM）来模拟固体颗粒的运动。改进集中在DEM模型参数的确定上，通过对时间步长，弹簧阻尼系数和粘性耗散系数之间关系式的重新推导，在强化最小临界时间的作用后，新提出2个调节系数，大大简化了DEM计算时模型参数的选取。更为重要的是，项目提出的调节系数的选取也是可控的；通过大量合理设计的验算和数据训练，并与试验结果对比，在建立了新提出调节系数与固体物性，需要时间步长的数据库后，既能保证DEM的计算效率又能达到需要的精度，是DEM应用上的一大突破。同时，对改进后的DEM程序基于GPU的通用计算，应用计算统一设备架构（CUDA）编程进行并行化加速，经过与试验系统的对比，并行化的程序在保证精度的前提下，能提高计算效率2~5倍。除了固体颗粒，其余各相均基于欧拉坐标系，对各相建立体积平均变量的控制方程，引入通过相间边界相互作用的相间作用力，采用传统网格方法求解。本项目将欧拉坐标系和拉格朗日坐标系耦合起来，并就采用DEM对固相建模后带来的液固和气固之间的耦合问题进行了大量的验算，通过与典型的实验结果进行对比，混合法建立的程序计算结果是有效并准确的。在上述研究的基础之上，本项目将研究对象拓展到碎片床的形成，重点关注形成过程和碎片床的形成形状，进行了大量的试验和数值模拟，试验和模拟结果的对比不仅验证了混合法开发的程序的有效性，也为自平过程的模拟提供了更真实和准确的起点。