多相流模拟仿真在核电领域的应用及展望

一、引言

核电作为一种重要的清洁能源，在全球能源结构中的地位日益重要。核反应堆作为核电站的核心设备，其安全、高效运行至关重要。多相流现象广泛存在于核反应堆的各个系统和设备中，如冷却剂的多相流动、燃料元件的传热、蒸汽发生器的汽水分离等。准确模拟和分析这些多相流现象，对于核反应堆的设计、优化、安全分析以及事故预防和处理具有重要意义。多相流模型作为一种有效的工具，能够对复杂的多相流动和传热过程进行数值模拟和预测，在核电领域得到了广泛的应用和深入的研究。

二、多相流模型简介

（一）欧拉-欧拉体系

将每一相都视为连续介质，适用于相间相互作用强烈，颗粒尺寸小、浓度高的情况。例如在气液两相的鼓泡塔反应器中，气体以气泡的形式大量分散在液体中，此时可以将气液两相都视为连续介质，因为气泡之间相互交错，液体也充满整个空间。曳力是相间动量传递的主要方式，模型通过曳力项来耦合各相的动量方程。常用的曳力模型有 Schiller - Naumann 模型等，其曳力系数会根据流体的相对速度、颗粒形状等因素进行计算，用于描述气体和液体在运动过程中相互阻碍、带动的力。

广泛应用于气液两相流动，如沸腾、喷雾干燥等过程。在喷雾干燥中，液滴在热气流中蒸发干燥，此时气液两相的相互作用对干燥效果和产品粒径分布有重要影响，欧拉 - 欧拉模型可以模拟气液两相的速度场、温度场和浓度场，为优化喷雾干燥工艺提供依据。

（二）欧拉-拉格朗日体系

流体（连续相）采用欧拉方法处理，通过在固定的空间网格上求解流体的连续性方程、动量方程和能量方程，得到流体的速度、压力和温度等宏观场量。离散相（如颗粒、液滴）采用拉格朗日方法处理，以颗粒为计算单元，跟踪每个颗粒的运动轨迹，计算颗粒的位置、速度、温度等随时间的变化。

离散相与连续相之间通过源项进行耦合。可以精确地获取每个离散相粒子的运动信息，包括其在空间中的位置、速度、加速度等，这对于研究离散相的分布、碰撞和聚集等现象非常有利。可以详细地分析单个液滴在气体涡流中的轨迹变化，以及液滴之间可能发生的碰撞破碎情况。

适用于离散相浓度较低的情况，如稀相气固流动。在粉尘输送管道中，粉尘颗粒在气体中以较低浓度分散流动，此时使用欧拉-拉格朗日模型可以准确地模拟粉尘颗粒的运动轨迹，研究粉尘的扩散、沉降等问题，为管道设计和粉尘收集处理提供技术支持。

（三）VirtualFlow多相流模型

积鼎科技自研软件VirtualFlow所包含的多相流模型。VirtualFlow支持求解界面流问题、混合流问题、颗粒流问题，多相流模型包括：Level-set模型、VOF模型、均相流模型、代数滑移模型、离散相模型（有密相颗粒求解能力）。

图 1VirtualFlow中多相流模型类型

三、多相流模型在核电领域的应用

（一）核反应堆设计与优化

堆芯冷却与流动：模拟核反应堆堆芯内的冷却剂流动和传热过程，分析燃料元件表面的温度分布、冷却剂的流动速度和压力损失等，为堆芯的设计和优化提供依据，对于事故工况，需要考虑多相流模型的应用。

燃料元件性能评估：研究燃料元件在不同运行条件下的热工性能，如燃料温度、包壳温度、冷却剂温度和流量等，预测燃料元件的烧毁率和寿命，为燃料元件的设计和改进提供指导。

蒸汽发生器设计：模拟蒸汽发生器内的汽水两相流动和传热过程，优化蒸汽发生器的结构和参数，提高其传热效率和运行稳定性。例如，通过模拟蒸汽发生器内的汽水分离过程，改进汽水分离装置的设计，减少蒸汽中的水滴携带，提高蒸汽品质。

（二）热工水力分析

单通道热工水力分析：对核反应堆单通道内的冷却剂流动和传热进行模拟，分析通道内的温度分布、压力降和热传递特性，评估通道的热工性能和安全性。

多通道热工水力分析：考虑核反应堆内多个并行通道之间的相互影响，如流量分配、温度耦合等，研究多通道热工水力现象，为核反应堆的热工设计和运行提供更准确的预测。

图 2 棒束通道流动换热

热分层现象研究：在核反应堆的某些管道和设备中，由于冷热流体的混合，可能会产生热分层现象。多相流模型可用于模拟热分层现象，分析其对管道应力、设备性能和安全的影响，为防止热分层引起的热疲劳和设备失效提供技术支持。

图 3 管道热分层模拟

（三）安全分析与评估

失水事故（LOCA）模拟：失水事故是核反应堆的一种严重事故工况，多相流模型可用于模拟失水事故过程中的冷却剂流失、燃料元件暴露、蒸汽生成和压力变化等现象，预测事故的发展趋势和后果，为制定事故应急预案和安全措施提供依据。

图 4 压热冲击（PTS）分析

蒸汽发生器管束破裂事故分析：模拟蒸汽发生器管束破裂后的汽水两相流动和传热过程，评估事故对核反应堆安全的影响，研究事故缓解措施和修复方案。

严重事故模拟：对于核反应堆的严重事故，如堆芯熔化、燃料元件熔融等，多相流模型可以结合其他物理模型，如熔融燃料的流动和传热、与冷却剂的相互作用等，进行综合模拟，为严重事故的研究和应对提供技术支持。

（四）事故模拟与研究

管道破裂事故模拟：模拟核反应堆系统中管道破裂后的多相流流动和压力变化，分析管道内的流体喷射、相间作用和对周围设备的影响，为管道破裂事故的预防和处理提供参考。

图 5 蒸汽喷射模拟

泄漏事故模拟：研究核反应堆系统中不同部位的泄漏事故，如阀门泄漏、泵密封泄漏等，模拟泄漏流体的流动和扩散，评估泄漏事故对环境和人员的危害，为泄漏事故的检测和修复提供技术支持。

四、多相流模型在核电领域的研究进展

模型改进与开发：研究人员不断对现有的多相流模型进行改进和完善，以提高其对核电领域复杂多相流现象的模拟精度和适用性。例如，对不同壁面沸腾模型进行研究，针对特定场景获取精确的多相流相变模型。

数值方法与算法优化：为提高多相流模型的计算效率和稳定性，发展了一系列先进的数值方法和算法，如高精度差分格式、自适应网格技术、并行计算技术等。这些方法和算法能够更好地处理多相流模型中的复杂方程组和大规模计算问题，加快模拟过程，提高模拟结果的可靠性和准确性。

实验验证与数据支持：实验研究在多相流模型的发展和应用中起着重要的验证和支持作用。通过开展各种多相流实验，如核反应堆热工水力实验、多相流流动特性实验、事故工况模拟实验等，获取了大量的实验数据，用于验证和校准多相流模型，为模型的改进和完善提供依据。

多物理场耦合模拟：在核电领域，多相流现象往往与其他物理场相互耦合，如中子学场、结构力学场、电磁场等。因此，开展多物理场耦合模拟成为当前的研究热点之一。通过建立多物理场耦合模型，能够更全面、准确地模拟核反应堆内的复杂物理过程，为核电站的设计、运行和安全分析提供更有力的支持。

五、未来发展趋势与挑战

模型精度与可靠性提升：随着对核电安全要求的不断提高，多相流模型需要进一步提高模拟精度和可靠性，更准确地描述多相流现象中的各种物理过程和相互作用机制。这需要在模型的理论基础、实验验证和数值计算等方面进行更深入的研究和改进。

多物理场耦合模拟的深化：未来，多物理场耦合模拟将在核电领域发挥越来越重要的作用。如何更有效地实现多物理场之间的耦合，提高耦合模拟的效率和精度，是需要解决的关键问题之一。同时，还需要加强对多物理场耦合现象的理解和认识，建立更完善的多物理场耦合模型和方法。

高参数、复杂几何条件下的模拟：随着核反应堆技术的不断发展，如高温气冷堆、快中子反应堆等新型堆型的研发，多相流模型需要能够适应高参数、复杂几何条件下的模拟需求。这要求模型在处理高温、高压、高流速等极端条件以及复杂的流道几何形状时，具有更高的准确性和稳定性。

图 6 超临界工质流动换热模拟

人工智能的应用：人工智能和机器学习技术在近年来取得了快速发展，在多相流模拟领域也展现出广阔的应用前景。例如，利用机器学习算法对多相流模型进行优化和参数调整，提高模型的预测能力；通过数据挖掘技术分析多相流模拟数据，发现隐藏的物理规律和特征等；神经网络生成代理模型，加快复杂装备优化迭代速度。

图 7 VirtualFlow中人工智能的应用

多相流模型在核电领域的应用广泛而深入，涵盖了核反应堆设计与优化、热工水力分析、安全分析与评估、事故模拟与研究等多个方面，为核电站的安全、高效运行提供了有力的技术支持。随着研究的不断深入和技术的不断发展，多相流模型在核电领域的应用前景将更加广阔。

审核编辑 黄宇