球床堆球流随机性运动预测模型及其方法论研究

高温气冷堆被列入国家重大专项，工程项目正在实施中。球流运动规律的研究是高温气冷堆工程技术实践中提出的重要课题，是球床堆芯设计的理论基础，属于颗粒流研究的范畴。颗粒流被公认是很难研究的问题，在理论体系的建立上还有很多工作值得探索。本课题正是在这样的背景下提出并实施的。 球床堆芯的球流运动是一种极其缓慢的颗粒流动，比如由清华大学研发的10MW高温气冷堆，其燃料元件的平均运动速度约为0.0002mm/s，如此缓慢的球流是颗粒流研究的新领域，开展相关研究具有重要的学术意义，是对颗粒流研究领域的补充。 通过本课题的实施，提出了极缓慢颗粒流研究的新领域，提出了新的概念、新的方法、新的模型，建立了一套较完整的研究体系，并通过实验和理论，预测了球床堆球流运动的分布规律，揭示了球流运动的基本机理，已应用于高温气冷堆及其下一代技术研发的实际设计中。 本课题提出了极缓慢颗粒流中的球流纺概念，以此为基础，建立了基于球流纺的定量研究方法，称为球流纺方法，提出了网格节点法和界面分析法，为球流研究提供了研究方法，并通过实验和理论验证了三种方法的一致性；建立了进一步考虑随机因素的离散元数学模型以及球流随机性运动的预测模型，预测了球床堆球流运动的分布规律，回答了燃料元件在不同时刻所处的位置以及在该位置的概率，回答了球床某个位置的燃料元件球是从何处运动未来的概率，以及不同元件交混时在空间上的分布特征等若干基本问题，为定量研究球流随机运动规律提供了方法论；在此基础上，进一步通过实验和理论途径对研究方法加以实施，揭示了球流运动的基本规律，包括球流轨迹、运动分散性流场分布、滞留时间、球流流型、交混模糊区内的分布等；通过球流运动规律及其参数效应的研究，揭示了球床堆球流运动的基本机理，构建了初步清晰的物理图像，解释了摩擦系数和底部锥角对流动均匀性的影响及内在机理，并指出球与球的摩擦系数和球与壁面的摩擦系数作用不同，两者的作用可能完全相反，这也为高温气冷堆堆芯设计以及堆芯壁面设计提供了理论依据，并提出了一种堆芯底部采用全新设计的下一代高温气冷堆新方案（正在准备专利申请）。 在国家自然基金面上项目“球床堆球流随机性运动预测模型及其方法论研究”的资助下，经过3年努力，取得了较为丰富的研究成果，大部分成果将在结题后予以发表。 2100433B

球床堆球流运动规律的研究是高温气冷堆技术实践中提出的重要理论课题，属于颗粒流研究范畴。本课题通过提出球流纺概念，建立进一步考虑随机因素的离散元数学模型以及球流随机性运动预测模型，来预测球床堆球流运动的分布规律，回答燃料元件在不同时刻所处的位置以及在该位置的概率，包括不同元件交混时的空间分布特征等基本问题，为定量研究球流随机运动规律提供方法论。在此基础上，进一步通过实验和理论途径对研究方法加以实施和验证，揭示球流运动的基本规律，包括球流轨迹、运动分散性、流场分布、滞留时间、球流流型、交混模糊区内的分布等问题。在球流纺概念下研究球流运动的随机性是一个新的研究方法，在学术上有较大的创新性；在离散元模型中进一步考虑随机因素，对离散元方法的进一步发展也是一次有益的探索。