上旋式無窗散裂靶件自由界面數(shù)值研究

曾 月，顧漢洋，胡 晨

（上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

上旋式無窗散裂靶件自由界面數(shù)值研究

曾 月，顧漢洋，胡 晨

（上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

無窗散裂靶件是加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)的重要組成部分。為了使靶件維持穩(wěn)定的自由界面并具有良好的熱移出功能，本文提出一種上旋式無窗靶件設(shè)計，以水為工質(zhì)，采用ANSYS Fluent軟件對該靶件設(shè)計進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)散裂靶件能較好地維持穩(wěn)定自由界面，不會出現(xiàn)漩渦滯止區(qū)，并得到不同入口流速對自由界面形狀、流場特征及壓降的影響。

加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)；無窗靶件；自由界面；VOF

加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)（ADS）為國際公認的從根本上處理嬗變長壽命核廢物的新型核系統(tǒng)。散裂靶件是ADS的核心部件，該部件通過散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子源，同時釋放大量熱量。為了在產(chǎn)生穩(wěn)定中子源的同時將散裂過程中產(chǎn)生的熱量有效帶出，ADS散裂靶件的發(fā)展經(jīng)歷了固態(tài)到液態(tài)、有窗到無窗的過程。無窗靶件無窗體材料壽命限制、散裂反應(yīng)熱沉積快速輸出等特點使之成為目前研究的熱點［1］。液態(tài)無窗靶件研究的重點包括以下兩點：一是如何在特定流動邊界下維持穩(wěn)定光滑的自由界面，防止液滴飛濺污染質(zhì)子束入射管；二是如何盡可能減小與自由界面相耦合的非穩(wěn)態(tài)流場中滯止漩渦的尺度，增強流場的熱移出能力。國際上關(guān)于ADS的學(xué)術(shù)交流以及科技研究一直很活躍，美國、日本、俄羅斯和歐洲都有相應(yīng)的研究計劃，如ATW計劃、OMEGA計劃及SPIN計劃，其他的一些國家也參與到國際合作中，如韓國的KOMAC-HYPER、比利時的MYRRHA等［2］。多數(shù)無窗靶件結(jié)構(gòu)均與歐洲XT-ADS設(shè)計相似，上海交通大學(xué)也進行了類似結(jié)構(gòu)的模擬與實驗［3］。上海交通大學(xué)的實驗和模擬結(jié)果顯示，錐形下落式無窗靶件的流場特點決定其存在自由界面穩(wěn)定性與減少滯止漩渦的尺度之間的矛盾［4］。本文提出一種上旋式結(jié)構(gòu)的無窗靶件，并采用ANSYS Fluent軟件對其自由界面進行數(shù)值分析，驗證其設(shè)計的可行性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為上旋式無窗散裂靶件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。上旋式無窗散裂靶件通道包括入口葉輪、圓柱直管段和喇叭口漸擴段三部分。液態(tài)工質(zhì)從下部入口流入流道，經(jīng)由旋葉產(chǎn)生周向速度，從而旋轉(zhuǎn)向上，流過圓柱段至漸擴段，從喇叭口流出，在喇叭段形成錐形自由液面。自由界面的位置可通過入口流速及下部葉輪葉片角度等來控制。

圖1 上旋式無窗散裂靶件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 Design diagram of upward rotation windowless spallation target

2 計算模型

參照上旋式無窗靶件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖建立數(shù)值模擬的幾何結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格模型，如圖2所示。網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。加密后網(wǎng)格單元總數(shù)為515萬。數(shù)值模擬計算使用ANSYS Fluent軟件，采用k-ε模型對湍流特性進行瞬態(tài)求解，自由界面重構(gòu)使用VOF方法，速度和壓力方程組的求解使用SIMPLE算法。邊界條件設(shè)置下部入口為速度入口，頂部出口為壓力出口。流體工質(zhì)為常溫、常壓下的水，相關(guān)資料［5］顯示，20℃的水與400℃的液態(tài)鉛鉍合金具有相似的水力學(xué)特性，故本文用水模擬液態(tài)鉛鉍合金進行計算。計算主要研究入口速度和葉片傾斜角度對自由界面的影響，出口壓力設(shè)為大氣壓力。每個工況出口和入口的流量（min－mout）／min＜0.1%作為計算收斂標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)資料［6］顯示，液態(tài)無窗靶件的最大流速不能超過2m／s，所以最大入口流速為2m／s［6］。模擬計算中采用的葉片傾角為45°，入口流速分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0m／s。

圖2 上旋式ADS液態(tài)無窗靶件計算網(wǎng)格模型Fig.2 Computing mesh model of upward rotation ADS liquid windowless target

3 計算結(jié)果分析

3.1 流動結(jié)構(gòu)分析

圖3示出入口速度為1.2m／s時的流體旋流跡線，流體由下部入口進入，經(jīng)過旋葉獲得切向速度旋轉(zhuǎn)向上，從周圍出口向下流出。為研究流體沿著高度方向軸向移動的過程，在不同高度位置上，取6個橫截面，作出其速度云圖，如圖4所示。由圖4可看出，流體進入流道后，經(jīng)過旋葉產(chǎn)生切向速度，形成旋轉(zhuǎn)上升流，在離心力的作用下，流體向管道周向移動，在出口喇叭口區(qū)域形成自由界面。

圖3 流體旋流跡線Fig.3 Fluid flow trace

圖4 不同高度橫截面上速度云圖Fig.4 Velocity contours of cross section on different heights

3.2 自由液面形狀

計算葉輪傾角為45°時不同流速下的流動情況，當(dāng)計算穩(wěn)定時，截取過中軸線的平面，可看到部分工況的自由液面分布如圖5所示。可見不同的流速下都能形成清晰的自由界面。圖6示出了不同流速下自由液面界面的變化曲線。計算結(jié)果顯示，不同入口流速下均能形成較為穩(wěn)定的自由液面，并隨入口流速的增大，流體流出的離心速度越大，導(dǎo)致自由液面中心更低，更接近圓錐形，在高速工況下計算結(jié)果表明自由液面會出現(xiàn)波動。總的來講，由于離心力的作用，這種上旋自由界面較之下落自由界面更加穩(wěn)定，不存在漩渦滯止區(qū)，自由界面中心不會出現(xiàn)強烈的氣液攪混。

圖5 不同入口流速下的自由界面Fig.5 Free surfaces under different inlet velocities

圖6 入口流速與自由液面高度曲線Fig.6 Curve of inlet velocity and height of free surface

3.3 自由液面區(qū)流場特性

自由液面區(qū)流場特性是影響自由靶件沉積熱輸出的關(guān)鍵因素。故取不同入口流速下的自由液面區(qū)速度云圖，如圖7所示。

流體自下而上旋轉(zhuǎn)上升至自由界面，形成錐形面后從圓周邊緣旋轉(zhuǎn)溢出。由上述速度分布云圖可看出，無論入口速度較大或較小，自由液面下流體都保持一種穩(wěn)定狀態(tài)，不存在回流和漩渦滯止區(qū)。而且入口速度越小，自由界面下速度越小，流體的流動越平穩(wěn)。

3.4 壓降與流速的關(guān)系

進出口壓降與流速關(guān)系如圖8所示。可看到，隨入口流速的增大，壓降大致呈線性變化，入口流速越大，進出口壓降越大。但總的壓降不是很大，不需考慮壓力變化對材料及工質(zhì)造成的影響，且不需在高壓下工作，不存在工程實施困難。

圖7 不同入口流速下自由液面區(qū)速度云圖Fig.7 Velocity contours of free surface under different inlet velocities

圖8 進出口壓降與進口流速關(guān)系Fig.8 Inlet and outlet pressure drops under different inlet velocities

4 結(jié)論

本文提出了一種加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)上旋式液態(tài)無窗散裂靶件并對其自由界面和流場進行了數(shù)值模擬計算。通過對自由液面及自由界面下流場速度的對比分析，得出以下結(jié)論：

1）上旋式無窗散裂靶件幾乎不會出現(xiàn)自由界面的巨大波動、撕裂及自由液面下的漩渦回旋等情況，解決了自由界面穩(wěn)定性與界面區(qū)出現(xiàn)流場渦流滯止之間的矛盾；

2）隨入口流速的變大，散裂靶件的自由液面的下凹越明顯；

3）入口流速越大，壓降越大，但總的壓降不是很大，不存在工程實施困難。

［1］ ROELOFS F，de JAGER B，CLASS A，et al.European research on HLM thermal-hydraulics for ADS applications［J］.Journal of Nuclear Materials，2008，376：401-404.

［2］ de BRUYN D.Accelerator driven systems for transmutation：Main design achievements of the XT-ADS and EFIT systems within the FP6IPEUROTANS integrated project［C］∥Proceeding of ICAPP10.CA：［s.n.］，2010：1 808-1 816.

［3］ CHENG X，PETTAN C，KNEBEL J U，et al.Experimental and numerical studies on thermalhydraulics of spallation targets［C］∥Emerging Nuclear and Transmutation Systems：Core Physics and Engineering Aspects.USA：［s.n.］，2000：308-325.

［4］ SU G Y，GU H Y，CHENG X.Experimental and numerical studies on free surface flow of windowless target［J］.Annals of Nuclear Energy，2012，43：142-149.

［5］ 蘇冠宇.ADS無窗散裂靶件模擬實驗與數(shù)值研究［D］.上海：上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，2011.

［6］ CLASS A G，ANGELI D，BATTA A.XT-ADS windowless spallation target thermohydraulic design ＆experimental setup［J］.Journal of Nuclear Materials，2011，415：378-384.

Numerical Investigation on Free Surface of Upward Rotation Windowless Spallation Target

ZENG Yue，GU Han-yang，HU Chen
（School of Nuclear Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The windowless spallation target is one of most important components of the accelerator driven sub-critical system.An upward rotation windowless spallation target which chooses water as the working medium was proposed.The target can keep the interface steady and move out the heat in time.The numerical simulation was proceeded by ANSYS Fluent.Through the study it is proved that a steady surface can be kept with this kind of target.There is no whirlpool exists and the velocity below interface as same as the pressure drop under various inlet velocities can be found out.

accelerator driven sub-critical system；windowless target；free surface；VOF

TL33

：A

：1000-6931（2015）01-0096-04

10.7538／yzk.2015.49.01.0096

2013-10-29；

2013-12-02

國家自然科學(xué)基金資助項目（91026020）

曾 月（1990—），女，四川成都人，碩士研究生，核能科學(xué)與工程專業(yè)