基于格子Boltzmann方法的反应堆核-热-流耦合模拟

王亚辉，马 宇

(中山大学 中法核工程与技术学院，广东 珠海 519082)

核反应堆堆芯是一个典型的多物理耦合系统，其中的核-热-流耦合过程是反应堆工程模拟中的一个主要研究点[1-2]，尤其是对于反应堆设计及安全分析。中子输运过程决定了核燃料中中子裂变产生的能量，而热工水力过程决定了温度分布，并通过多普勒效应影响宏观中子截面。由于这一特点，核反应堆行为的可靠分析需要涉及中子输运和热工水力过程的多物理耦合[3-4]。从数学角度来看，这些多物理模拟的实现依赖于在不同物理场之间有效传输数据的能力。因此，在相同方法下解决耦合问题，可有效消除外部数据交换和插值。然而，由于不同物理场控制方程之间的差异性以及中子输运方程的复杂性，对其耦合求解存在一定的难度。当前的研究工作普遍基于不同数值方法对不同物理场进行求解，随后在不同物理场之间增加外部数据接口和插值过程，这使得多物理耦合实现困难，并且可能会降低精度[5]。

格子Boltzmann方法(LBM)[6-9]是一种起源于流体动力学求解的数值方法，该方法采用介观分布函数来求解宏观变量的演化过程，可将不同的控制方程转换为相似的线性LBM方程，采用相似的格式进行求解，这使得LBM在多物理耦合模拟中具有突出优势。相比于传统数值方法而言，LBM具有极为简单的形式，只需上百行程序即可实现复杂物理过程的模拟；同时由于LBM方程只与当前的节点以及上游的一个节点有关，该方法具有极强的并行特性。……