核電作為一種重要的清潔能源，在全球能源結構中的地位日益重要。核反應堆作為核電站的核心設備，其安全、高效運行至關重要。多相流現象廣泛存在于核反應堆的各個系統和設備中，如冷卻劑的多相流動、燃料元件的傳熱、蒸汽發(fā)生器的汽水分離等。準確模擬和分析這些多相流現象，對于核反應堆的設計、優(yōu)化、安全分析以及事故預防和處理具有重要意義。多相流模型作為一種有效的工具，能夠對復雜的多相流動和傳熱過程進行數值模擬和預測，在核電領域得到了廣泛的應用和深入的研究。
將每一相都視為連續(xù)介質，適用于相間相互作用強烈，顆粒尺寸小、濃度高的情況。例如在氣液兩相的鼓泡塔反應器中，氣體以氣泡的形式大量分散在液體中，此時可以將氣液兩相都視為連續(xù)介質，因為氣泡之間相互交錯，液體也充滿整個空間。曳力是相間動量傳遞的主要方式，模型通過曳力項來耦合各相的動量方程。常用的曳力模型有 Schiller - Naumann 模型等，其曳力系數會根據流體的相對速度、顆粒形狀等因素進行計算，用于描述氣體和液體在運動過程中相互阻礙、帶動的力。
廣泛應用于氣液兩相流動，如沸騰、噴霧干燥等過程。在噴霧干燥中，液滴在熱氣流中蒸發(fā)干燥，此時氣液兩相的相互作用對干燥效果和產品粒徑分布有重要影響，歐拉 - 歐拉模型可以模擬氣液兩相的速度場、溫度場和濃度場，為優(yōu)化噴霧干燥工藝提供依據。
流體（連續(xù)相）采用歐拉方法處理，通過在固定的空間網格上求解流體的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，得到流體的速度、壓力和溫度等宏觀場量。離散相（如顆粒、液滴）采用拉格朗日方法處理，以顆粒為計算單元，跟蹤每個顆粒的運動軌跡，計算顆粒的位置、速度、溫度等隨時間的變化。
離散相與連續(xù)相之間通過源項進行耦合?？梢跃_地獲取每個離散相粒子的運動信息，包括其在空間中的位置、速度、加速度等，這對于研究離散相的分布、碰撞和聚集等現象非常有利。可以詳細地分析單個液滴在氣體渦流中的軌跡變化，以及液滴之間可能發(fā)生的碰撞破碎情況。
適用于離散相濃度較低的情況，如稀相氣固流動。在粉塵輸送管道中，粉塵顆粒在氣體中以較低濃度分散流動，此時使用歐拉-拉格朗日模型可以準確地模擬粉塵顆粒的運動軌跡，研究粉塵的擴散、沉降等問題，為管道設計和粉塵收集處理提供技術支持。
積鼎科技自研軟件VirtualFlow所包含的多相流模型。VirtualFlow支持求解界面流問題、混合流問題、顆粒流問題，多相流模型包括：Level-set模型、VOF模型、均相流模型、代數滑移模型、離散相模型（有密相顆粒求解能力）。
圖 1VirtualFlow中多相流模型類型
堆芯冷卻與流動：模擬核反應堆堆芯內的冷卻劑流動和傳熱過程，分析燃料元件表面的溫度分布、冷卻劑的流動速度和壓力損失等，為堆芯的設計和優(yōu)化提供依據，對于事故工況，需要考慮多相流模型的應用。
燃料元件性能評估：研究燃料元件在不同運行條件下的熱工性能，如燃料溫度、包殼溫度、冷卻劑溫度和流量等，預測燃料元件的燒毀率和壽命，為燃料元件的設計和改進提供指導。
蒸汽發(fā)生器設計：模擬蒸汽發(fā)生器內的汽水兩相流動和傳熱過程，優(yōu)化蒸汽發(fā)生器的結構和參數，提高其傳熱效率和運行穩(wěn)定性。例如，通過模擬蒸汽發(fā)生器內的汽水分離過程，改進汽水分離裝置的設計，減少蒸汽中的水滴攜帶，提高蒸汽品質。
單通道熱工水力分析：對核反應堆單通道內的冷卻劑流動和傳熱進行模擬，分析通道內的溫度分布、壓力降和熱傳遞特性，評估通道的熱工性能和安全性。
多通道熱工水力分析：考慮核反應堆內多個并行通道之間的相互影響，如流量分配、溫度耦合等，研究多通道熱工水力現象，為核反應堆的熱工設計和運行提供更準確的預測。
圖 2 棒束通道流動換熱
熱分層現象研究：在核反應堆的某些管道和設備中，由于冷熱流體的混合，可能會產生熱分層現象。多相流模型可用于模擬熱分層現象，分析其對管道應力、設備性能和安全的影響，為防止熱分層引起的熱疲勞和設備失效提供技術支持。
圖 3 管道熱分層模擬
失水事故（LOCA）模擬：失水事故是核反應堆的一種嚴重事故工況，多相流模型可用于模擬失水事故過程中的冷卻劑流失、燃料元件暴露、蒸汽生成和壓力變化等現象，預測事故的發(fā)展趨勢和后果，為制定事故應急預案和安全措施提供依據。
圖 4 壓熱沖擊（PTS）分析
蒸汽發(fā)生器管束破裂事故分析：模擬蒸汽發(fā)生器管束破裂后的汽水兩相流動和傳熱過程，評估事故對核反應堆安全的影響，研究事故緩解措施和修復方案。
嚴重事故模擬：對于核反應堆的嚴重事故，如堆芯熔化、燃料元件熔融等，多相流模型可以結合其他物理模型，如熔融燃料的流動和傳熱、與冷卻劑的相互作用等，進行綜合模擬，為嚴重事故的研究和應對提供技術支持。
管道破裂事故模擬：模擬核反應堆系統中管道破裂后的多相流流動和壓力變化，分析管道內的流體噴射、相間作用和對周圍設備的影響，為管道破裂事故的預防和處理提供參考。
圖 5 蒸汽噴射模擬
泄漏事故模擬：研究核反應堆系統中不同部位的泄漏事故，如閥門泄漏、泵密封泄漏等，模擬泄漏流體的流動和擴散，評估泄漏事故對環(huán)境和人員的危害，為泄漏事故的檢測和修復提供技術支持。
模型改進與開發(fā)：研究人員不斷對現有的多相流模型進行改進和完善，以提高其對核電領域復雜多相流現象的模擬精度和適用性。例如，對不同壁面沸騰模型進行研究，針對特定場景獲取精確的多相流相變模型。
數值方法與算法優(yōu)化：為提高多相流模型的計算效率和穩(wěn)定性，發(fā)展了一系列先進的數值方法和算法，如高精度差分格式、自適應網格技術、并行計算技術等。這些方法和算法能夠更好地處理多相流模型中的復雜方程組和大規(guī)模計算問題，加快模擬過程，提高模擬結果的可靠性和準確性。
實驗驗證與數據支持：實驗研究在多相流模型的發(fā)展和應用中起著重要的驗證和支持作用。通過開展各種多相流實驗，如核反應堆熱工水力實驗、多相流流動特性實驗、事故工況模擬實驗等，獲取了大量的實驗數據，用于驗證和校準多相流模型，為模型的改進和完善提供依據。
多物理場耦合模擬：在核電領域，多相流現象往往與其他物理場相互耦合，如中子學場、結構力學場、電磁場等。因此，開展多物理場耦合模擬成為當前的研究熱點之一。通過建立多物理場耦合模型，能夠更全面、準確地模擬核反應堆內的復雜物理過程，為核電站的設計、運行和安全分析提供更有力的支持。
模型精度與可靠性提升：隨著對核電安全要求的不斷提高，多相流模型需要進一步提高模擬精度和可靠性，更準確地描述多相流現象中的各種物理過程和相互作用機制。這需要在模型的理論基礎、實驗驗證和數值計算等方面進行更深入的研究和改進。
多物理場耦合模擬的深化：未來，多物理場耦合模擬將在核電領域發(fā)揮越來越重要的作用。如何更有效地實現多物理場之間的耦合，提高耦合模擬的效率和精度，是需要解決的關鍵問題之一。同時，還需要加強對多物理場耦合現象的理解和認識，建立更完善的多物理場耦合模型和方法。
高參數、復雜幾何條件下的模擬：隨著核反應堆技術的不斷發(fā)展，如高溫氣冷堆、快中子反應堆等新型堆型的研發(fā)，多相流模型需要能夠適應高參數、復雜幾何條件下的模擬需求。這要求模型在處理高溫、高壓、高流速等極端條件以及復雜的流道幾何形狀時，具有更高的準確性和穩(wěn)定性。
圖 6 超臨界工質流動換熱模擬
人工智能的應用：人工智能和機器學習技術在近年來取得了快速發(fā)展，在多相流模擬領域也展現出廣闊的應用前景。例如，利用機器學習算法對多相流模型進行優(yōu)化和參數調整，提高模型的預測能力；通過數據挖掘技術分析多相流模擬數據，發(fā)現隱藏的物理規(guī)律和特征等；神經網絡生成代理模型，加快復雜裝備優(yōu)化迭代速度。
圖 7 VirtualFlow中人工智能的應用
多相流模型在核電領域的應用廣泛而深入，涵蓋了核反應堆設計與優(yōu)化、熱工水力分析、安全分析與評估、事故模擬與研究等多個方面，為核電站的安全、高效運行提供了有力的技術支持。隨著研究的不斷深入和技術的不斷發(fā)展，多相流模型在核電領域的應用前景將更加廣闊。
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