球床堆球流隨機性運動預測模型及其方法論研究結題摘要

高溫氣冷堆被列入國家重大專項，工程項目正在實施中。球流運動規(guī)律的研究是高溫氣冷堆工程技術實踐中提出的重要課題，是球床堆芯設計的理論基礎，屬于顆粒流研究的范疇。顆粒流被公認是很難研究的問題，在理論體系的建立上還有很多工作值得探索。本課題正是在這樣的背景下提出并實施的。 球床堆芯的球流運動是一種極其緩慢的顆粒流動，比如由清華大學研發(fā)的10MW高溫氣冷堆，其燃料元件的平均運動速度約為0.0002mm/s，如此緩慢的球流是顆粒流研究的新領域，開展相關研究具有重要的學術意義，是對顆粒流研究領域的補充。 通過本課題的實施，提出了極緩慢顆粒流研究的新領域，提出了新的概念、新的方法、新的模型，建立了一套較完整的研究體系，并通過實驗和理論，預測了球床堆球流運動的分布規(guī)律，揭示了球流運動的基本機理，已應用于高溫氣冷堆及其下一代技術研發(fā)的實際設計中。 本課題提出了極緩慢顆粒流中的球流紡概念，以此為基礎，建立了基于球流紡的定量研究方法，稱為球流紡方法，提出了網(wǎng)格節(jié)點法和界面分析法，為球流研究提供了研究方法，并通過實驗和理論驗證了三種方法的一致性；建立了進一步考慮隨機因素的離散元數(shù)學模型以及球流隨機性運動的預測模型，預測了球床堆球流運動的分布規(guī)律，回答了燃料元件在不同時刻所處的位置以及在該位置的概率，回答了球床某個位置的燃料元件球是從何處運動未來的概率，以及不同元件交混時在空間上的分布特征等若干基本問題，為定量研究球流隨機運動規(guī)律提供了方法論；在此基礎上，進一步通過實驗和理論途徑對研究方法加以實施，揭示了球流運動的基本規(guī)律，包括球流軌跡、運動分散性流場分布、滯留時間、球流流型、交混模糊區(qū)內(nèi)的分布等；通過球流運動規(guī)律及其參數(shù)效應的研究，揭示了球床堆球流運動的基本機理，構建了初步清晰的物理圖像，解釋了摩擦系數(shù)和底部錐角對流動均勻性的影響及內(nèi)在機理，并指出球與球的摩擦系數(shù)和球與壁面的摩擦系數(shù)作用不同，兩者的作用可能完全相反，這也為高溫氣冷堆堆芯設計以及堆芯壁面設計提供了理論依據(jù)，并提出了一種堆芯底部采用全新設計的下一代高溫氣冷堆新方案（正在準備專利申請）。 在國家自然基金面上項目“球床堆球流隨機性運動預測模型及其方法論研究”的資助下，經(jīng)過3年努力，取得了較為豐富的研究成果，大部分成果將在結題后予以發(fā)表。 2100433B

球床堆球流運動規(guī)律的研究是高溫氣冷堆技術實踐中提出的重要理論課題，屬于顆粒流研究范疇。本課題通過提出球流紡概念，建立進一步考慮隨機因素的離散元數(shù)學模型以及球流隨機性運動預測模型，來預測球床堆球流運動的分布規(guī)律，回答燃料元件在不同時刻所處的位置以及在該位置的概率，包括不同元件交混時的空間分布特征等基本問題，為定量研究球流隨機運動規(guī)律提供方法論。在此基礎上，進一步通過實驗和理論途徑對研究方法加以實施和驗證，揭示球流運動的基本規(guī)律，包括球流軌跡、運動分散性、流場分布、滯留時間、球流流型、交混模糊區(qū)內(nèi)的分布等問題。在球流紡概念下研究球流運動的隨機性是一個新的研究方法，在學術上有較大的創(chuàng)新性；在離散元模型中進一步考慮隨機因素，對離散元方法的進一步發(fā)展也是一次有益的探索。