大科学装置与耦合分析  082700M02014H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科普及课 | 任课教师:杨磊,陈金根,付芬
授课时间: 星期二,第10、11、12 节
授课地点: 教二楼314
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 082700M02014H 课时: 48 学分: 3.00
课程属性: 一级学科普及课 主讲教师:杨磊,陈金根,付芬 助教:毛泽普
英文名称: Multiphysics Modeling: Scientific Aquipment Applications 召集人:

教学目的、要求

本课程主要结合钍基熔盐堆、ADS、散裂中子源等装置对大科学装置进行简单介绍(需求、优势、技术难点等);讲授装置中的应力场、流场、温度场、中子场等耦合分析的建模和数值模拟方法;根据需求介绍相关模拟软件,同时结合实例进行讲解和模拟演练。通过本课程的学习,学生可以从宏观上了解认识大科学装置,掌握多场耦合的建模和数值模拟方法,学会利用模拟软件进行数值模拟等,使学生进入科学研究或者工程设计领域时具备解决多物理场问题的能力。

预修课程

《流体力学》、《中子物理》、《核物理理论》

教 材

主要内容

第一章:导论
第一讲、概述 (3学时)
教学重点:简述国内外大科学装置,散裂中子源、ADS和TMSR项目(需求、优势、技术难点,以及装置中的应力场、流场、电磁场、温度场、中子场等);
第二讲、大科学装置中多场耦合物理图像(3学时)
教学重点:简述流体、辐射、中子、热工等多场耦合的工程背景,结合散裂中子源、ADS和TMSR项目介绍装置中的应力场、流场、电磁场、温度场、中子场等的耦合物理图像
第二章 大科学装置
第三、四讲、钍基熔盐堆和钍铀燃料循环 (6学时)
教学重点: 熔盐堆的基本特点及发展历程、 熔盐堆的中子学及热工水力特性、 熔盐堆材料特性、熔盐堆的化学后处理特性、铀-钚及钍-铀燃料循环特点、钍铀燃料循环发展历史与前景、熔盐堆钍铀循环的主要挑战
第五、六讲 加速器驱动的先进核能系统 ADANES(6学时)
教学重点:ADANES简介,ADANES结构 ,ADANES的优势和技术难点; ADANES中子学及热工水力特性,ADANES中子学理论模拟
第三章:多场耦合分析建模方法  
第七讲、多场耦合方法(3学时) 
教学重点:强耦合方法,弱耦合方法,稳态分析方法,瞬态分析方法,多场问题的控制微分方程,多场问题的耦合方程,中子-热-流-固耦合(实例,物理上和程序中的实现方法)多物理场耦合分析软件
第八讲、多场耦合建模(3学时) 
教学重点: CAD几何建模,网格划分(网格划分方法,六面体,四面体),边界条件(耦合界面设置,边界条件设置),参数设置(求解模型选择,参数设置); 
第四章:多场耦合数值计算方法
第九讲、有限元和离散元分析方法 (3学时)
教学重点:有限元法基本思想,几个基本概念(单元(element),节点,节点力,节点荷载,节点位移),有限元方程,有限元法软件(ANSYs,前处理,有限元分析,后处理); 
离散元法的基本原理,离散元方法的基本假设,离散模型,动态松弛法,颗粒离散元程序实现,离散元法与其他数值模拟方法的结合,离散元软件(EDEM)
第十讲、蒙特卡洛方法与分子动力学方法(3学时)
教学重点:蒙卡方法基本思路,Metropolis算法,随机数的生成,随机变量的期望,蒙特卡洛方法求解,蒙卡模拟软件(例如MCNP);
分子动力学的基本原理,分子动力学系统(NVE,NVT,NPT),作用势,动力学计算,数值求解及求解中的问题,边界条件,分子动力学软件(例如MS);
第十一讲:跨尺度模型(3学时) 
教学重点:均匀化理论,跨尺度方法,跨尺度建模,跨尺度计算方法,跨尺度力学行为,不同尺度模型之间的界面连接(边界条件,初始条件),宏观连续模型,微观分子模型,介观格子模型,接触多尺度力学,跨尺度模型在核工程中的应用,跨尺度耦合现象的挑战和机遇
第五章:大科学装置中耦合分析实例
第十二、十三讲、熔盐堆多场耦合分析(6学时)
教学重点:熔盐堆物理与化学后处理耦合分析(反应堆中子物理软件SCALE及MCNP介绍、熔盐堆燃耗模拟工具研发与验证、各类熔盐堆燃耗模拟)熔盐堆核热耦合分析( 熔盐堆确定论中子学工具开发、熔盐堆热工水力程序开发、熔盐堆核热耦合程序开发(稳态及瞬态分析))  熔盐堆燃耗计算模拟程序介绍,熔盐堆多物理场耦合模型介绍(中子物理模型,热工水力模型)
第十四、十五讲、散裂靶多场耦合分析(6学时)
教学重点:简单介绍散裂靶(固态靶、有窗液态靶、无窗靶和高密度颗粒流靶)特点及发展趋势,散裂靶中子学及相关的热工水力等、软件介绍(ansys ,Fluent,EDEM,GMT等),软件平台建模,以及网格划分,结构模型参数设置,离散元求解、后处理,实战演练。

第十六讲、考试(3学时)

参考文献

1)计算多物理场—有限体积方法应用    明平剑 张文平 编著北京航空航天大学出版社
2)Multiphysics Modeling:Numerical Methods and Engineering Applications  多物理场仿真:数值方法及工程应用(英文版)   张群 岑松著  清华大学出版社