熱工分析的案例
流體力學(xué)分析軟件VirtualFlow，實現(xiàn)核反應(yīng)堆熱工水力高效仿真
3 月 13 日，由中國核學(xué)會核反應(yīng)堆熱工流體力學(xué)分會主辦，中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室、上海積鼎信息科技有限公司、先進核能技術(shù)全國重點實驗室承辦的 “核反應(yīng)堆熱工水力仿真技術(shù)前沿探索與實踐” 線上直播活動圓滿舉辦。本次活動聚焦核反應(yīng)堆仿真領(lǐng)域的最新進展與挑戰(zhàn)，吸引了近300位行業(yè)專家及在校學(xué)生的關(guān)注。
中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆工程研究所副所長、中國核學(xué)會核反應(yīng)堆熱供流體力學(xué)分會的理事長 黃彥平 在致辭中指出，核能技術(shù)的迭代對流體仿真提出了更高要求，亟需在精度提升、計算效率優(yōu)化及模型驗證等方面取得突破。國產(chǎn)流體仿真軟件的自主研發(fā)是打破技術(shù)壟斷的關(guān)鍵。黃總呼吁產(chǎn)學(xué)研各方需強化合作，通過資源共享與協(xié)同創(chuàng)新，共同攻克行業(yè)難題。
作為本次活動的承辦單位之一，積鼎科技研發(fā)中心總監(jiān)符凱的報告《國產(chǎn)流體仿真軟件在核反應(yīng)堆仿真中的應(yīng)用》受到關(guān)注。積鼎科技深耕 CFD 領(lǐng)域多年，自主開發(fā)了通用流體仿真軟件 VirtualFlow在核反應(yīng)堆仿真中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。
積鼎科技的仿真軟件可應(yīng)用于核領(lǐng)域的多種堆型，包括壓水堆、鉛鉍/鈉冷快堆、熔鹽堆等。在壓水堆中，軟件可模擬安注水過程、氫氣復(fù)合及燃燒、抑壓水池工作過程等；在鉛鉍/鈉冷快堆中，可進行金屬液體熱工水力計算、事故工況下自然對流計算等；在熔鹽堆中，實現(xiàn)了堆芯流量分配計算、熔鹽泄露凝固計算等關(guān)鍵場景的仿真。
技術(shù)優(yōu)勢：
全代碼自主可控：該軟件安全可靠可控，經(jīng)第三方評測顯示代碼自主率超過 95%。
全方位仿真能力：支持多相流、湍流、相變、傳熱等復(fù)雜物理模型，能夠精確模擬核反應(yīng)堆中的流動傳熱傳質(zhì)、多相流相變、可壓縮流體、多組分等問題。
應(yīng)用場景覆蓋廣：軟件經(jīng)過市場長期驗證，已積累的測試案例庫>1000個。
展開 多相流模擬仿真在核電領(lǐng)域的應(yīng)用及展望
圖 1VirtualFlow中多相流模型類型
三、多相流模型在核電領(lǐng)域的應(yīng)用
（一）核反應(yīng)堆設(shè)計與優(yōu)化
堆芯冷卻與流動：模擬核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)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(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)，對于事故工況，需要考慮多相流模型的應(yīng)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(yù)測燃料元件的燒毀率和壽命，為燃料元件的設(shè)計和改進提供指導(dǎo)。
蒸汽發(fā)生器設(shè)計：模擬蒸汽發(fā)生器內(nèi)的汽水兩相流動和傳熱過程，優(yōu)化蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，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(nèi)的汽水分離過程，改進汽水分離裝置的設(shè)計，減少蒸汽中的水滴攜帶，提高蒸汽品質(zhì)。
（二）熱工水力分析
單通道熱工水力分析：對核反應(yīng)堆單通道內(nèi)的冷卻劑流動和傳熱進行模擬，分析通道內(nèi)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(yīng)堆內(nèi)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(xiàn)象，為核反應(yīng)堆的熱工設(shè)計和運行提供更準確的預(yù)測。
圖 2 棒束通道流動換熱
?熱分層現(xiàn)象研究：在核反應(yīng)堆的某些管道和設(shè)備中，由于冷熱流體的混合，可能會產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象。多相流模型可用于模擬熱分層現(xiàn)象，分析其對管道應(yīng)力、設(shè)備性能和安全的影響，為防止熱分層引起的熱疲勞和設(shè)備失效提供技術(shù)支持。
圖 3 管道熱分層模擬
（三）安全分析與評估
失水事故（LOCA）模擬：失水事故是核反應(yīng)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(xiàn)象，預(yù)測事故的發(fā)展趨勢和后果，為制定事故應(yīng)急預(yù)案和安全措施提供依據(jù)。
展開 BIM技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用優(yōu)勢
（四）城市建筑群熱工分析
主要是分析規(guī)劃建筑空間形成后，在自然狀態(tài)下得到太陽熱量的自然分布，通過這種熱量分布計算，可以很清楚地看到建筑群內(nèi)部熱量集中的地方。得到該結(jié)果后，在深化規(guī)劃方案設(shè)計過程中，可通過各種措施調(diào)整，如增加綠地、水系或者引入自然通風(fēng)廊道等方法減少高溫區(qū)域。
石化核電行業(yè)仿真咨詢與專業(yè)定制開發(fā)
再冷凝器與管道系統(tǒng)整體計算與局部計算
12、儲液罐實程地震分析
采用流固耦合算法計算給定儲水箱在地震在和靜力載荷綜合作用下的應(yīng)力響應(yīng)，用于儲水箱抗震分析和應(yīng)力評定。包括液晃、液固耦合地震響應(yīng)、基于RCC-M規(guī)范的應(yīng)力評定。
儲液罐地震分析（液晃與罐體響應(yīng)）
13、新組件廠內(nèi)運輸桶熱工分析
基于Fluent軟件，建立了運輸桶熱工計算的共軛傳熱模型，包括固體以及內(nèi)部流體區(qū)域，考慮燃料棒發(fā)熱、內(nèi)部自然對流、輻射以及外部對流換熱條件，對運輸桶工作狀態(tài)的溫度場進行了計算，為設(shè)計改進提供了依據(jù)。
廠內(nèi)運輸筒CFD模型與溫度場
14、新組件廠內(nèi)運輸桶跌落分析
建立了運輸桶及其內(nèi)部組件的三維結(jié)構(gòu)模型，包括桶體主體區(qū)域主要的承載結(jié)構(gòu)件、仿輻射夾層材料、底部泡沫鋁緩沖材料、燃料棒以及套筒等，采用LS-Dyna軟件對運輸桶21m高度的跌落碰撞進行了分析，分析結(jié)果預(yù)測了跌落強度破壞區(qū)域，為設(shè)計改進提供了依據(jù)。
廠內(nèi)運輸筒跌落
展開 
流動與傳熱CFD分析小組
本小組成員均為清華大學(xué)流體流動與傳熱相關(guān)專業(yè)優(yōu)秀博士及碩士研究生（已畢業(yè)及在讀），理論基礎(chǔ)扎實，且有相關(guān)實際工程經(jīng)驗，熟練應(yīng)用Fluent（CFD分析軟件）、Flowmaster（一維流體系統(tǒng)仿真軟件）、HTFS（換熱器設(shè)計軟件）等熱工軟件，旨在為企業(yè)提供熱工問題的分析與計算技術(shù)服務(wù)，諸如流動分析、傳熱計算、CFD模擬、換熱器熱工設(shè)計等，目前已完成課題：超臨界壓力流體在微細結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動與換熱分析、超臨界壓力流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動與傳熱分析、U型管換熱器CFD模擬、反應(yīng)堆堆芯熱工水力問題的三維CFD模擬，結(jié)果均得到客戶認可與好評。有需要可通過以下方式與我們聯(lián)系：
E-mail: zhangyu_03@tsinghua.org.cn; maojie666@gmail.com
Tel: 13810987379 張
QQ：26057270
展開 高性能計算(HPC)在CAE仿真中的重要價值（文末有福利）
HPC分析公司Hyperion Research在國際超級計算大會（ISC）上宣布半年度HPC市場的變化，將其五年行業(yè)預(yù)測改為2023年達到440億美元（390億歐元） ，高于此前預(yù)測的390億美元（350億歐元）。
在其中，工業(yè)仿真和人工智能是HPC細分市場中增長速度是最快的，這證明人們在科技發(fā)展創(chuàng)新上對HPC的重用。在商業(yè)用途中，越來越多的企業(yè)使用HPC進行可擴展并行處理、快速數(shù)據(jù)遷移、超大內(nèi)存系統(tǒng)和其他HPC功能等，還有高度數(shù)據(jù)密集的AI / ML / DL工作負載來進行仿真和分析。
工業(yè)發(fā)展對HPC有大量的需求
最早使用高性能計算機的航天領(lǐng)域，有大量的問題需要超算的支持。例如高超音速飛行器外形空氣動力學(xué)設(shè)計和分析、飛行器氣動熱、結(jié)構(gòu)耦合分析、不同載荷條件下推進劑行為模擬、火箭電磁兼容性分析等都需要大規(guī)模的計算和仿真。
同時，高性能計算在數(shù)值風(fēng)洞、氣動氣彈、結(jié)構(gòu)強度、載荷疲勞等方面有大量的應(yīng)用，進行民用飛機、軍用飛機和通用飛機的組件、部件、全機的計算、分析、研究和模擬等。
在核電工程方面，在核反應(yīng)堆堆芯熱工水力分析，核反應(yīng)堆保護和控制分析，核反應(yīng)堆主冷系統(tǒng)流固耦合分析，核級設(shè)備應(yīng)力分析與抗震力學(xué)分析等方面需要大規(guī)模的計算。
展開 積鼎科技：國產(chǎn)自主核反應(yīng)堆流體仿真解決方案
其自主研發(fā)的通用流體仿真軟件VirtualFlow具備行業(yè)領(lǐng)先的網(wǎng)格建模與求解技術(shù)，能夠精確模擬管道熱分層、棒束通道流動傳熱等關(guān)鍵問題。
通過精確豐富的湍流模型，從RANS、VLES到LES，VirtualFlow能夠滿足不同湍流尺度的模擬需求，確保瑞流傳熱的求解精度。此外，VirtualFlow還提供了全面的湍流熱通量模型和濃度模型，可以用來模擬傳質(zhì)現(xiàn)象，為核反應(yīng)堆的設(shè)計和優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。
多相流相變解決方案
在多相流相變方面，積鼎科技的解決方案同樣表現(xiàn)出色。VirtualFlow提供了多種多相流模型，包括VOF、LevelSet方法用于界面流問題，基于歐拉-歐拉體系的均相模型用于混合流問題，以及歐拉-拉格朗日模型用于離散相流體問題。這些模型能夠精確模擬沸騰、冷凝、液面晃動等多相流現(xiàn)象，為反應(yīng)堆的熱工設(shè)計、安全分析和性能優(yōu)化提供支持。
例如，在壁面沸騰的模擬中，VirtualFlow采用N相均相模型和RPI模型，能夠準確預(yù)測出口氣含率，與實驗值吻合良好，相比其他軟件在精度上有較大提升。
可壓縮流體解決方案
針對可壓縮流體問題，積鼎科技的解決方案能夠有效模擬核反應(yīng)堆中的空化、水錘等現(xiàn)象。VirtualFlow具備精確可靠的可壓縮模型，結(jié)合豐富的多相流模型及相變模型，可以準確預(yù)測冷卻水與熱流體直接接觸相變過程中的冷凝速率和界面溫度梯度。
在銳邊孔口空化的模擬中，VirtualFlow考慮可壓縮性，計算結(jié)果與實驗值匹配良好，證明了其可靠的熱限制相變模型和著名的Sauer空化模型的有效性。
此外，VirtualFlow還提供了多種變密度表達方式，如單插值/雙插值/PR方程等，能夠處理超臨界問題，為核反應(yīng)堆在特殊工況下的流體行為提供準確的模擬和預(yù)測。
展開 第四代核電堆型：鈉冷快堆設(shè)計的流體仿真技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案
CFD可以建立詳細的子通道模型，模擬冷卻劑在堆芯內(nèi)的流動和傳熱情況，分析繞絲引起的攪渾效應(yīng)。例如，通過上海積鼎自主研發(fā)的通用流體力學(xué)分析軟件VirtualFlow建立帶繞絲的燃料棒束模型，計算不同流量工況下的流場特性，獲得繞絲的湍流攪渾系數(shù)，并將其用于子通道計算程序中，得到各類子通道的溫度分布。</p><p><br></p><p class="ql-align-center"><img src="https://file1.elecfans.com/web3/M00/09/9C/wKgZO2e737eARFyaAAGm6wXLZ88632.png"></p><p class="ql-align-center">圖 3 采用VirtualFlow對帶繞絲棒束模型進行數(shù)值分析</p><p>冷卻劑流動特性：CFD能夠模擬鈉冷快堆中液態(tài)鈉的流動特性，包括流速分布、壓力降等。這對于優(yōu)化堆芯設(shè)計、降低流動阻力和提高冷卻效率具有重要意義。例如，在低雷諾數(shù)條件下，CFD可以用于研究鈉冷快堆燃料組件棒束的阻力特性，為自然循環(huán)冷卻過程中的換熱分析提供支持。</p><p>通風(fēng)系統(tǒng)分析：CFD能夠模擬鈉冷快堆中屏蔽氣體氬氣及空氣的流動特性，為優(yōu)化旋塞結(jié)構(gòu)、保護容器設(shè)計、屏蔽體通風(fēng)設(shè)計等提供支持。</p><p><strong>2.安全分析</strong></p><p>事故工況模擬：CFD可以模擬鈉冷快堆在各種事故工況下的熱工水力行為，如冷卻劑泄漏、泵失效等，幫助評估反應(yīng)堆的安全性能。</p><p>反應(yīng)性反饋計算：CFD與中子動力學(xué)模塊耦合，可以實現(xiàn)鈉冷快堆的多維度耦合計算。通過CFD計算得到的熱工水力參數(shù)，作為中子動力學(xué)模塊的邊界條件，計算反應(yīng)性引入時堆芯的核物理反應(yīng)性。這種方法能夠更準確地分析反應(yīng)堆在不同工況下的反應(yīng)性變化，提高安全分析的可靠性。
展開 兩場核工業(yè)盛會召開！VirtualFlow亮相助力核電CFD技術(shù)革新
金秋十月，北京迎來了兩場核電領(lǐng)域的年度盛會——“中國核學(xué)會核反應(yīng)堆熱工流體力學(xué)分會第四屆學(xué)術(shù)年會”與“中核核能軟件與數(shù)字化反應(yīng)堆工程技術(shù)研究中心學(xué)術(shù)年會暨數(shù)字核能2024技術(shù)論壇”。來自全國80余家科研院所、高校和企業(yè)的800余名專家學(xué)者齊聚一堂，共同探討我國反應(yīng)堆熱工流體力學(xué)領(lǐng)域的新概念、新理論、新技術(shù)和新進展。
中國核學(xué)會核反應(yīng)堆熱工流體力學(xué)分會第四屆學(xué)術(shù)年會
在這場學(xué)術(shù)盛宴中，CFD仿真技術(shù)成為各方關(guān)注的焦點。積鼎科技作為CFD仿真領(lǐng)域的引領(lǐng)者也受邀亮相此次盛會，其仿真工程師還在現(xiàn)場帶來了關(guān)于“冷凝回流過程仿真”的精彩報告。
報告通過生動的案例，從冷凝回流過程介紹、VirtualFlow壁面冷凝模型、仿真應(yīng)用過程分析等方面進行了詳細介紹，充分展示了VirtualFlow在模擬復(fù)雜流體流動、傳熱現(xiàn)象方面的卓越能力，以及其在核電站設(shè)計、安全分析等方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。
VirtualFlow在核電領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐：
CFD仿真技術(shù)作為一種高效、準確的預(yù)測工具，能夠?qū)穗娬镜牧黧w流動、傳熱、反應(yīng)堆物理、安全分析、系統(tǒng)模擬等各個方面的復(fù)雜現(xiàn)象進行精確重現(xiàn)。
VirtualFlow能夠全面覆蓋核電領(lǐng)域的各種仿真需求，包括流動傳熱傳質(zhì)、多相流相變、可壓縮流體等復(fù)雜問題。在超臨界二氧化碳核能動力系統(tǒng)、氣冷堆、壓水堆、鉛鉍/鈉冷快堆、熔鹽堆等不同的堆型場景中，VirtualFlow都能進行精準的熱工水力計算，為核電站的安全運行提供有力保障。
流動傳熱傳質(zhì)：流動傳熱傳質(zhì)是核電站、核島、常規(guī)島、電氣系統(tǒng)及設(shè)備中最常見的物理現(xiàn)象。
展開 設(shè)計院的BIM技術(shù)展望
方案設(shè)計：
使用BIM技術(shù)能進行造型、體量和空間分析外，還可以同時進行能耗分析和建造成本分析等，使得初期方案決策更具有科學(xué)性；初步設(shè)計：利用模型信息進行能耗、結(jié)構(gòu)、聲學(xué)、熱工、日照等分析，進行各種干涉檢查和規(guī)范檢查，以及進行工程量統(tǒng)計；施工圖：各種平面、里面、剖面圖紙和統(tǒng)計報表都能從BIM模型中獲取。
（2）從設(shè)計工作流程以及重心來講，專業(yè)間的協(xié)同和設(shè)計的重心也不一樣。
設(shè)計協(xié)同：
設(shè)計有上十個甚至幾十個專業(yè)需要協(xié)調(diào)，包括設(shè)計計劃，互提資料、校對審核、版本控制等，特別是空間關(guān)系的表現(xiàn)，二維圖紙無法直觀的表達出多個專業(yè)間的碰撞關(guān)系，而BIM技術(shù)能更直觀更有效的解決這一問題，避免在施工過程中發(fā)現(xiàn)問題而導(dǎo)致的返工；
設(shè)計工作重心前移：
目前設(shè)計師50%以上的工作量用在施工圖階段，然而BIM技術(shù)可以幫助設(shè)計師把主要工作放到方案和初步設(shè)計階段，從而發(fā)揮出設(shè)計師應(yīng)有的技術(shù)和水平，減輕繁重而又無太高技術(shù)含量的施工圖出圖工作。
2.全面開展BIM技術(shù)綜合應(yīng)用研究所需具備的條件
（1）明確BIM設(shè)計目標
當(dāng)前的目標應(yīng)該定位在為施工圖設(shè)計服務(wù)，關(guān)注方案及方案調(diào)整、性能分析、施工圖圖面可視化表達，以主體工程三維幾何信息為基本屬性，包括以構(gòu)件實體為基本單元的對象幾何尺寸、空間位置和構(gòu)件實體間空間關(guān)系，以及工程項目類型名稱、用途、建設(shè)單位等項目的基本工程信息，這些信息可用于項目整個生命周期。
展開 