11月15日-17日， 2022中國核能高質量發展大會暨深圳國際核能產業創新博覽會(簡稱“2022深圳核博會”)在深圳國際會展中心隆重舉辦。
IDAJ作為ANSYS重要合作伙伴，攜Ansys旗艦級仿真軟件(Ansys Fluent，Ansys Mechanical等)及開源CFD軟件亮相16號館N28展臺。IDAJ技術專家向來訪觀眾展示了IDAJ產品在核能領域的仿真場景及行業應用。
1、Ansys產品在核電領域的應用
核能作為一種高效能源，已經被廣泛地運用于醫學、科技、信息、環境、材料、工農業、國家安全等各個領域，像醫學放射治療、生物輻射育種、地質年代的推斷、文物珍品的鑒定、礦產資源的勘探等等。核工程領域聚焦核能的安全利用、核電站運行優化與自動控制等場景，具有技術水平要求高的特點。
CAE 即計算機輔助設計(Computer Aided Engineering)，工程師使用CAE仿真可以對工程和產品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態和運行行為模擬，及早發現設計缺陷，并驗證及預測產品功能和性能等。CAE涵蓋領域包括有限元分析(FEA)、計算流體動力學(CFD)、多體動力學(MBD)、優化等。在核工程領域CAE仿真技術已經得到了深入的應用，在諸多場景下展示出仿真的價值，如核反應堆事故模擬、乏燃料的儲存和處置、確認與標定、安全設計及反應堆設計、反應堆熱工水力分析、電站環境選址等。
以計算流體動力學(CFD)為例，在反應堆設計中可以進行多種場景仿真，如：
• 氫氣混合和燃燒
• 在蒸汽發生器的次級側沸騰兩相流
• 界面摩擦和傳熱速率的影響
• 氣冷反應堆的In-vessel和ex-vessel流現象
• 冷管段(coldlegs)熱分層
• 提高設計的熱工性能
• 調查與燃料管理和可靠性相關的現象等
Ansys旗艦級仿真軟件(Ansys Fluent，Ansys Mechanical等)具有求解精度高、過程穩健性好、用戶交互友好等特色，在核工程領域有豐富的應用案例。
低鈾核燃料設計
【案例描述】：Ansys Mechanical評估低鈾燃料的導熱系數，Ansys Fluent模擬三種傳熱模式：對流、傳導和輻射。數值模擬預測可為候選燃料設計的性能和安全性分析提供支持，在不同的功率和入口流量條件下觀察到的趨勢將有助于優化物理實驗的性能和安全性。
核反應堆冷卻系統溫度梯度預測
【案例描述】：堆芯冷卻時緊急注入冷水發生的壓熱沖擊威脅反應堆壓力容器壽命，當冷水與壓力容器壁接觸時，可能會導致較大的溫度梯度，從而導致容器壁的高應力。利用Ansys CFX軟件對冷卻管路的復雜湍流混合分層現象進行了準確預測。冷卻管路的最低溫度是決定熱沖擊嚴重程度的重要因素，其計算值與實驗值誤差在3%以內。
核廢料自然對流冷卻
【案例描述】：通過ANSYS Fluent對用于乏燃料儲存和運輸的VSC-17系統的傳熱性能建模，燃料棒產生的熱量通過自然對流流動傳遞，計算溫度值和實驗溫度值一致性良好。
核廢料的脈沖射流混合仿真
【案例描述】：通過Ansys Fluent歐拉顆粒多相模型預測固體分布，自定義函數控制瞬態邊界條件，并跟隨固體濃度在噴嘴內流動，對比仿真與實驗結果：發現CFD模擬預測的濃度略低于在較低海拔的實驗，但兩者非常接近，說明CFD模擬足以評定脈沖射流混合器的性能。
段塞流仿真
【案例描述】：段塞流是水平管道中常見的一種多相流狀態，液體間斷地充滿管道橫截面積。液塞攜帶著顯著的能量，加上其強烈的振蕩壓力，對管線系統的結構有很大的威脅。實驗過程中分別控制空氣和水的流量。根據不同的流速，可以觀察到不同的流態，包括分層流(平滑和波浪狀)、段塞流和長氣泡流。使用完整的歐拉-歐拉(非均勻)多相模型，在段塞形成、前進速度和破斷方面，仿真計算數據與實驗的結果定性上保持一致。
失水事故仿真
【案例描述】：Ansys CFX模擬冷卻劑損失事故期間壓水堆(PWR)冷卻段的瞬態傳熱自由表面流動。40秒后，由于冷卻劑的注入，在水中觀察到熱分層，而自由表面以上的溫度保持不變。噴管處截面冷卻開始得更早，由于注入，自由表面高度增加。仿真數據中高頻變化沒有被捕捉到，這可能是由于統計湍流模型無法解決高頻瞬態振蕩所致。自由表面模型能較好地模擬壓水堆冷卻劑損失事故中的瞬態自由表面流動。
2、基于開源代碼的通用CFD軟件-icFLOW
icFLOW是由IDAJ開發的通用CFD軟件包，它由前、后處理器Pro-icFLOW和核心CFD求解器icFLOW組成。其中Pro-icFLOW基于VTK進行開發。求解器icFLOW基于開源CFD軟件OpenFOAM進行開發，遵循GPL協議。
icFLOW的特點
• 保留了開源CFD軟件的優點：
• 低成本的大規模計算- CPU數量的增加不會帶來軟件使用費的增加
• 對同時運行的計算(進程)數量沒有限制
• 解決了開源CFD軟件的諸多缺點：
• 提供方便易用的前后處理工具：Pro-icFLOW
• 網格改進
• 對底層代碼的改進和提高(基本插值方法，梯度求解方法和差分格式等)
• 基于IDAJ的經驗對相關物理模型進行修改，或增加新的物理模型
• IDAJ可提供強有力的技術支持(一般技術支持、技術咨詢和模型開發等)
icFLOW的網格功能
• 幾何包面功能
• 六面體為主體的網格
• 多種功能的體網格加密
• 基于曲率和特征線步長的面網格加密
• 基于自動探測、特征線過濾和自動表面交叉的特征線生成
• 多種邊界層網格生成算法
icFLOW的物理模型
• 常規冷、熱流動
• 流固熱耦合
• VOF兩相流
• 拉格朗日多相流歐拉多相流
• 動網格
• 跨聲速模塊
• 聲學模擬
• 化學反應
• 透平機械
• 優化模型
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