基于浸沒邊界法的流固耦合模擬分析

秦如冰，柴 翔，程 旭

(上海交通大學核科學與工程學院，上海 200240)

第四代快堆系統設計過程中關注的是固有安全性以及被動安全性。反應堆的固有安全性表示設計應使其僅依據自然狀態即可保持安全狀態；并確保所有可能的情況下所有性能特征都處于安全范圍內。被動安全性有更加廣泛的定義，表示無需任何人為干預，不用觸動信號，也不需要實現外部供能，反應堆就可以保持安全狀態。非能動停堆組件體現的正是這樣的特性。鈉冷快堆(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)作為第四代反應堆系統的重要堆型之一，采用非能動停堆組件以保證其安全性已成為國際上快堆發展和研究的最主要研究方向之一[1]。

然而，在對非能動停堆組件落棒停堆過程進行模擬分析時。由于復雜幾何、存在孔隙結構以及運動邊界等問題的存在，傳統計算流體力學程序(Computational fluid dynamics,CFD)所使用的結構化網格或非結構化網格生成方法存在較大的局限性。浸沒邊界法(Immersed boundary method,IBM)是CFD中的一種方法，該法無需構建貼體網格，而是采用笛卡爾網格，并通過添加體積力將邊界條件納入控制方程中，簡單的網格和數據結構非常適合處理復雜幾何和移動邊界問題[2]。IBM最早于20世紀70年代由Peskin[3]提出，它最初用于模擬心臟中的血液流動模式；經過多年發展已廣泛應用于工程模擬中。

本文針對鈉冷快堆非能動停堆組件落棒過程模擬困難的問題，基于浸沒邊界法的特性，開發適用于復雜幾何和移動邊界問題的數值模擬程序，并對程序進行驗證分析。……