一、引言

核電作為一種重要的清潔能源，在全球能源結(jié)構(gòu)中的地位日益重要。核反應(yīng)堆作為核電站的核心設(shè)備，其安全、高效運(yùn)行至關(guān)重要。多相流現(xiàn)象廣泛存在于核反應(yīng)堆的各個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備中，如冷卻劑的多相流動(dòng)、燃料元件的傳熱、蒸汽發(fā)生器的汽水分離等。準(zhǔn)確模擬和分析這些多相流現(xiàn)象，對(duì)于核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、安全分析以及事故預(yù)防和處理具有重要意義。多相流模型作為一種有效的工具，能夠?qū)?fù)雜的多相流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)，在核電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究。

二、多相流模型簡(jiǎn)介

（一）歐拉-歐拉體系

將每一相都視為連續(xù)介質(zhì)，適用于相間相互作用強(qiáng)烈，顆粒尺寸小、濃度高的情況。例如在氣液兩相的鼓泡塔反應(yīng)器中，氣體以氣泡的形式大量分散在液體中，此時(shí)可以將氣液兩相都視為連續(xù)介質(zhì)，因?yàn)闅馀葜g相互交錯(cuò)，液體也充滿整個(gè)空間。曳力是相間動(dòng)量傳遞的主要方式，模型通過(guò)曳力項(xiàng)來(lái)耦合各相的動(dòng)量方程。常用的曳力模型有 Schiller - Naumann 模型等，其曳力系數(shù)會(huì)根據(jù)流體的相對(duì)速度、顆粒形狀等因素進(jìn)行計(jì)算，用于描述氣體和液體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互阻礙、帶動(dòng)的力。

廣泛應(yīng)用于氣液兩相流動(dòng)，如沸騰、噴霧干燥等過(guò)程。在噴霧干燥中，液滴在熱氣流中蒸發(fā)干燥，此時(shí)氣液兩相的相互作用對(duì)干燥效果和產(chǎn)品粒徑分布有重要影響，歐拉 - 歐拉模型可以模擬氣液兩相的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，為優(yōu)化噴霧干燥工藝提供依據(jù)。

（二）歐拉-拉格朗日體系

流體（連續(xù)相）采用歐拉方法處理，通過(guò)在固定的空間網(wǎng)格上求解流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，得到流體的速度、壓力和溫度等宏觀場(chǎng)量。離散相（如顆粒、液滴）采用拉格朗日方法處理，以顆粒為計(jì)算單元，跟蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算顆粒的位置、速度、溫度等隨時(shí)間的變化。

離散相與連續(xù)相之間通過(guò)源項(xiàng)進(jìn)行耦合。可以精確地獲取每個(gè)離散相粒子的運(yùn)動(dòng)信息，包括其在空間中的位置、速度、加速度等，這對(duì)于研究離散相的分布、碰撞和聚集等現(xiàn)象非常有利。可以詳細(xì)地分析單個(gè)液滴在氣體渦流中的軌跡變化，以及液滴之間可能發(fā)生的碰撞破碎情況。

適用于離散相濃度較低的情況，如稀相氣固流動(dòng)。在粉塵輸送管道中，粉塵顆粒在氣體中以較低濃度分散流動(dòng)，此時(shí)使用歐拉-拉格朗日模型可以準(zhǔn)確地模擬粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究粉塵的擴(kuò)散、沉降等問(wèn)題，為管道設(shè)計(jì)和粉塵收集處理提供技術(shù)支持。

（三）VirtualFlow多相流模型

積鼎科技自研軟件VirtualFlow所包含的多相流模型。VirtualFlow支持求解界面流問(wèn)題、混合流問(wèn)題、顆粒流問(wèn)題，多相流模型包括：Level-set模型、VOF模型、均相流模型、代數(shù)滑移模型、離散相模型（有密相顆粒求解能力）。

圖 1VirtualFlow中多相流模型類(lèi)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(jì)與優(yōu)化

堆芯冷卻與流動(dòng)：模擬核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)的冷卻劑流動(dòng)和傳熱過(guò)程，分析燃料元件表面的溫度分布、冷卻劑的流動(dòng)速度和壓力損失等，為堆芯的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)，對(duì)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(píng)估：研究燃料元件在不同運(yùn)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(cè)燃料元件的燒毀率和壽命，為燃料元件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供指導(dǎo)。

蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)：模擬蒸汽發(fā)生器內(nèi)的汽水兩相流動(dòng)和傳熱過(guò)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(yùn)行穩(wěn)定性。例如，通過(guò)模擬蒸汽發(fā)生器內(nèi)的汽水分離過(guò)程，改進(jìn)汽水分離裝置的設(shè)計(jì)，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(duì)核反應(yīng)堆單通道內(nèi)的冷卻劑流動(dòng)和傳熱進(jìn)行模擬，分析通道內(nèi)的溫度分布、壓力降和熱傳遞特性，評(píng)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(gè)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(jì)和運(yùn)行提供更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

圖 2?棒束通道流動(dòng)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(huì)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(duì)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(píng)估

失水事故（LOCA）模擬：失水事故是核反應(yīng)堆的一種嚴(yán)重事故工況，多相流模型可用于模擬失水事故過(guò)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(cè)事故的發(fā)展趨勢(shì)和后果，為制定事故應(yīng)急預(yù)案和安全措施提供依據(jù)。

圖 4?壓熱沖擊（PTS）分析

蒸汽發(fā)生器管束破裂事故分析：模擬蒸汽發(fā)生器管束破裂后的汽水兩相流動(dòng)和傳熱過(guò)程，評(píng)估事故對(duì)核反應(yīng)堆安全的影響，研究事故緩解措施和修復(fù)方案。

嚴(yán)重事故模擬：對(duì)于核反應(yīng)堆的嚴(yán)重事故，如堆芯熔化、燃料元件熔融等，多相流模型可以結(jié)合其他物理模型，如熔融燃料的流動(dòng)和傳熱、與冷卻劑的相互作用等，進(jìn)行綜合模擬，為嚴(yán)重事故的研究和應(yīng)對(duì)提供技術(shù)支持。

（四）事故模擬與研究

管道破裂事故模擬：模擬核反應(yīng)堆系統(tǒng)中管道破裂后的多相流流動(dòng)和壓力變化，分析管道內(nèi)的流體噴射、相間作用和對(duì)周?chē)O(shè)備的影響，為管道破裂事故的預(yù)防和處理提供參考。

圖 5?蒸汽噴射模擬

泄漏事故模擬：研究核反應(yīng)堆系統(tǒng)中不同部位的泄漏事故，如閥門(mén)泄漏、泵密封泄漏等，模擬泄漏流體的流動(dòng)和擴(kuò)散，評(píng)估泄漏事故對(duì)環(huán)境和人員的危害，為泄漏事故的檢測(cè)和修復(fù)提供技術(shù)支持。

四、多相流模型在核電領(lǐng)域的研究進(jìn)展

模型改進(jìn)與開(kāi)發(fā)：研究人員不斷對(duì)現(xiàn)有的多相流模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，以提高其對(duì)核電領(lǐng)域復(fù)雜多相流現(xiàn)象的模擬精度和適用性。例如，對(duì)不同壁面沸騰模型進(jìn)行研究，針對(duì)特定場(chǎng)景獲取精確的多相流相變模型。

數(shù)值方法與算法優(yōu)化：為提高多相流模型的計(jì)算效率和穩(wěn)定性，發(fā)展了一系列先進(jìn)的數(shù)值方法和算法，如高精度差分格式、自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)等。這些方法和算法能夠更好地處理多相流模型中的復(fù)雜方程組和大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題，加快模擬過(guò)程，提高模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)支持：實(shí)驗(yàn)研究在多相流模型的發(fā)展和應(yīng)用中起著重要的驗(yàn)證和支持作用。通過(guò)開(kāi)展各種多相流實(shí)驗(yàn)，如核反應(yīng)堆熱工水力實(shí)驗(yàn)、多相流流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)、事故工況模擬實(shí)驗(yàn)等，獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證和校準(zhǔn)多相流模型，為模型的改進(jìn)和完善提供依據(jù)。

多物理場(chǎng)耦合模擬：在核電領(lǐng)域，多相流現(xiàn)象往往與其他物理場(chǎng)相互耦合，如中子學(xué)場(chǎng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)場(chǎng)、電磁場(chǎng)等。因此，開(kāi)展多物理場(chǎng)耦合模擬成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。通過(guò)建立多物理場(chǎng)耦合模型，能夠更全面、準(zhǔn)確地模擬核反應(yīng)堆內(nèi)的復(fù)雜物理過(guò)程，為核電站的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和安全分析提供更有力的支持。

五、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

模型精度與可靠性提升：隨著對(duì)核電安全要求的不斷提高，多相流模型需要進(jìn)一步提高模擬精度和可靠性，更準(zhǔn)確地描述多相流現(xiàn)象中的各種物理過(guò)程和相互作用機(jī)制。這需要在模型的理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)值計(jì)算等方面進(jìn)行更深入的研究和改進(jìn)。

多物理場(chǎng)耦合模擬的深化：未來(lái)，多物理場(chǎng)耦合模擬將在核電領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。如何更有效地實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)之間的耦合，提高耦合模擬的效率和精度，是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。同時(shí)，還需要加強(qiáng)對(duì)多物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)，建立更完善的多物理場(chǎng)耦合模型和方法。

高參數(shù)、復(fù)雜幾何條件下的模擬：隨著核反應(yīng)堆技術(shù)的不斷發(fā)展，如高溫氣冷堆、快中子反應(yīng)堆等新型堆型的研發(fā)，多相流模型需要能夠適應(yīng)高參數(shù)、復(fù)雜幾何條件下的模擬需求。這要求模型在處理高溫、高壓、高流速等極端條件以及復(fù)雜的流道幾何形狀時(shí)，具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖 6?超臨界工質(zhì)流動(dòng)換熱模擬

人工智能的應(yīng)用：人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在近年來(lái)取得了快速發(fā)展，在多相流模擬領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。例如，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)多相流模型進(jìn)行優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整，提高模型的預(yù)測(cè)能力；通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析多相流模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隱藏的物理規(guī)律和特征等；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成代理模型，加快復(fù)雜裝備優(yōu)化迭代速度。

圖 7?VirtualFlow中人工智能的應(yīng)用

多相流模型在核電領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛而深入，涵蓋了核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)與優(yōu)化、熱工水力分析、安全分析與評(píng)估、事故模擬與研究等多個(gè)方面，為核電站的安全、高效運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，多相流模型在核電領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。

審核編輯 黃宇