上旋式无窗散裂靶件自由界面数值研究

曾 月，顾汉洋，胡 晨

（上海交通大学核科学与工程学院，上海 200240）

上旋式无窗散裂靶件自由界面数值研究

曾 月，顾汉洋，胡 晨

（上海交通大学核科学与工程学院，上海 200240）

无窗散裂靶件是加速器驱动的次临界系统的重要组成部分。为了使靶件维持稳定的自由界面并具有良好的热移出功能，本文提出一种上旋式无窗靶件设计，以水为工质，采用ANSYS Fluent软件对该靶件设计进行数值模拟。结果表明，该结构散裂靶件能较好地维持稳定自由界面，不会出现漩涡滞止区，并得到不同入口流速对自由界面形状、流场特征及压降的影响。

加速器驱动的次临界系统；无窗靶件；自由界面；VOF

加速器驱动的次临界系统（ADS）为国际公认的从根本上处理嬗变长寿命核废物的新型核系统。散裂靶件是ADS的核心部件，该部件通过散裂反应产生中子源，同时释放大量热量。为了在产生稳定中子源的同时将散裂过程中产生的热量有效带出，ADS散裂靶件的发展经历了固态到液态、有窗到无窗的过程。无窗靶件无窗体材料寿命限制、散裂反应热沉积快速输出等特点使之成为目前研究的热点［1］。液态无窗靶件研究的重点包括以下两点：一是如何在特定流动边界下维持稳定光滑的自由界面，防止液滴飞溅污染质子束入射管；二是如何尽可能减小与自由界面相耦合的非稳态流场中滞止漩涡的尺度，增强流场的热移出能力。国际上关于ADS的学术交流以及科技研究一直很活跃，美国、日本、俄罗斯和欧洲都有相应的研究计划，如ATW计划、OMEGA计划及SPIN计划，其他的一些国家也参与到国际合作中，如韩国的KOMAC-HYPER、比利时的MYRRHA等［2］。多数无窗靶件结构均与欧洲XT-ADS设计相似，上海交通大学也进行了类似结构的模拟与实验［3］。上海交通大学的实验和模拟结果显示，锥形下落式无窗靶件的流场特点决定其存在自由界面稳定性与减少滞止漩涡的尺度之间的矛盾［4］。本文提出一种上旋式结构的无窗靶件，并采用ANSYS Fluent软件对其自由界面进行数值分析，验证其设计的可行性。

1 结构设计

图1为上旋式无窗散裂靶件结构设计图。上旋式无窗散裂靶件通道包括入口叶轮、圆柱直管段和喇叭口渐扩段三部分。液态工质从下部入口流入流道，经由旋叶产生周向速度，从而旋转向上，流过圆柱段至渐扩段，从喇叭口流出，在喇叭段形成锥形自由液面。自由界面的位置可通过入口流速及下部叶轮叶片角度等来控制。

图1 上旋式无窗散裂靶件结构设计图Fig.1 Design diagram of upward rotation windowless spallation target

2 计算模型

参照上旋式无窗靶件结构设计图建立数值模拟的几何结构模型及网格模型，如图2所示。网格采用结构化六面体网格。加密后网格单元总数为515万。数值模拟计算使用ANSYS Fluent软件，采用k-ε模型对湍流特性进行瞬态求解，自由界面重构使用VOF方法，速度和压力方程组的求解使用SIMPLE算法。边界条件设置下部入口为速度入口，顶部出口为压力出口。流体工质为常温、常压下的水，相关资料［5］显示，20℃的水与400℃的液态铅铋合金具有相似的水力学特性，故本文用水模拟液态铅铋合金进行计算。计算主要研究入口速度和叶片倾斜角度对自由界面的影响，出口压力设为大气压力。每个工况出口和入口的流量（min－mout）／min＜0.1%作为计算收敛标准。相关资料［6］显示，液态无窗靶件的最大流速不能超过2m／s，所以最大入口流速为2m／s［6］。模拟计算中采用的叶片倾角为45°，入口流速分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0m／s。

图2 上旋式ADS液态无窗靶件计算网格模型Fig.2 Computing mesh model of upward rotation ADS liquid windowless target

3 计算结果分析

3.1 流动结构分析

图3示出入口速度为1.2m／s时的流体旋流迹线，流体由下部入口进入，经过旋叶获得切向速度旋转向上，从周围出口向下流出。为研究流体沿着高度方向轴向移动的过程，在不同高度位置上，取6个横截面，作出其速度云图，如图4所示。由图4可看出，流体进入流道后，经过旋叶产生切向速度，形成旋转上升流，在离心力的作用下，流体向管道周向移动，在出口喇叭口区域形成自由界面。

图3 流体旋流迹线Fig.3 Fluid flow trace

图4 不同高度横截面上速度云图Fig.4 Velocity contours of cross section on different heights

3.2 自由液面形状

计算叶轮倾角为45°时不同流速下的流动情况，当计算稳定时，截取过中轴线的平面，可看到部分工况的自由液面分布如图5所示。可见不同的流速下都能形成清晰的自由界面。图6示出了不同流速下自由液面界面的变化曲线。计算结果显示，不同入口流速下均能形成较为稳定的自由液面，并随入口流速的增大，流体流出的离心速度越大，导致自由液面中心更低，更接近圆锥形，在高速工况下计算结果表明自由液面会出现波动。总的来讲，由于离心力的作用，这种上旋自由界面较之下落自由界面更加稳定，不存在漩涡滞止区，自由界面中心不会出现强烈的气液搅混。

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

图6 入口流速与自由液面高度曲线Fig.6 Curve of inlet velocity and height of free surface

3.3 自由液面区流场特性

自由液面区流场特性是影响自由靶件沉积热输出的关键因素。故取不同入口流速下的自由液面区速度云图，如图7所示。

流体自下而上旋转上升至自由界面，形成锥形面后从圆周边缘旋转溢出。由上述速度分布云图可看出，无论入口速度较大或较小，自由液面下流体都保持一种稳定状态，不存在回流和漩涡滞止区。而且入口速度越小，自由界面下速度越小，流体的流动越平稳。

3.4 压降与流速的关系

进出口压降与流速关系如图8所示。可看到，随入口流速的增大，压降大致呈线性变化，入口流速越大，进出口压降越大。但总的压降不是很大，不需考虑压力变化对材料及工质造成的影响，且不需在高压下工作，不存在工程实施困难。

图7 不同入口流速下自由液面区速度云图Fig.7 Velocity contours of free surface under different inlet velocities

图8 进出口压降与进口流速关系Fig.8 Inlet and outlet pressure drops under different inlet velocities

4 结论

本文提出了一种加速器驱动的次临界系统上旋式液态无窗散裂靶件并对其自由界面和流场进行了数值模拟计算。通过对自由液面及自由界面下流场速度的对比分析，得出以下结论：

1）上旋式无窗散裂靶件几乎不会出现自由界面的巨大波动、撕裂及自由液面下的漩涡回旋等情况，解决了自由界面稳定性与界面区出现流场涡流滞止之间的矛盾；

2）随入口流速的变大，散裂靶件的自由液面的下凹越明显；

3）入口流速越大，压降越大，但总的压降不是很大，不存在工程实施困难。

［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］ 苏冠宇.ADS无窗散裂靶件模拟实验与数值研究［D］.上海：上海交通大学机械与动力工程学院，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

国家自然科学基金资助项目（91026020）

曾 月（1990—），女，四川成都人，硕士研究生，核能科学与工程专业