核反应堆多维流动热工水力系统程序在运动条件下的开发与验证

为解决核反应堆在海洋浮动平台等运动环境中热工水力行为模拟的难题，研究人员开发了集成多维流动模型和运动附加力模型的系统级分析程序VITARS。该研究通过典型运动工况下的水槽实验和海洋堆缩比实验验证，证实模型能准确捕捉运动引起的参数周期性变化，保留科里奥利力(Coriolis force)的多维模型较传统一维组件更精确表征流动特性，同时满足安全分析的实时性要求。

　　

随着核能应用场景从陆地扩展到海洋浮动平台和太空等运动环境，传统针对静止工况设计的反应堆热工水力分析程序面临新挑战。在摇摆、倾斜等运动条件下，附加惯性力会显著改变冷却剂流动和传热特性，而现有系统程序如RELAP5、RETRAN等多采用一维简化模型，无法准确捕捉三维效应。尤其科里奥利力引发的横向流动会直接影响堆芯冷却效率，但传统一维模型因忽略该力导致安全评估偏差。

为突破这一技术瓶颈，西安交通大学（根据国内惯例翻译）的研究团队在系统级程序VITARS中创新性整合了多维流动模型与运动附加力模型。该研究通过三类关键技术实现突破：首先建立适用于交错网格框架的三维动量方程，保留科里奥利力等完整附加力项；其次开发能耦合一维/三维组件的混合求解算法；最后采用NSR-7海洋堆缩比实验数据验证模型精度。相关成果发表于《Ocean Engineering》。

热工水力模型
通过扩展传统一维系统程序架构，构建包含三维Navier-Stokes方程的多维组件模型。运动条件处理上，在动量方程中添加平移加速度、角加速度和科里奥利力源项，特别保留传统一维模型常忽略的科里奥利力正交分量。

运动附加力模型验证
以三维水箱为对象模拟倾斜/摇摆工况，结果显示模型能准确再现液面周期性波动。针对海洋堆自然循环实验的模拟表明，相比一维模型，多维模型对流量波动幅值的预测误差降低40%，且能捕捉堆芯入口流量分布不均匀性。

结论
该研究首次在系统程序中实现运动条件下三维热工水力场的实时计算。保留科里奥利力的模型可更精确表征堆芯局部横向流动，对浮动核电站安全分析具有重要价值。程序计算速度达工程实时性要求，为新型移动式核能系统设计提供可靠工具。

这项工作的创新性在于平衡了计算精度与效率的矛盾——传统CFD虽能精细模拟三维流场但耗时过高，而一维系统程序无法反映运动引起的三维效应。VITARS通过多维-一维耦合架构，首次在系统程序尺度实现运动条件下局部三维流动的实时捕捉，填补了该领域技术空白。研究团队指出，后续将针对两相流工况扩展模型功能，进一步提升对海洋复杂环境适应性。