卵石床高温气冷反应堆是一种第四代核能技术。它使用惰性氦气作为冷却剂，石墨作为中子减速剂，具有出色的固有安全性和模块化设计等优点。此外，其高温特性为其应用和发展提供了广阔的前景（吴和张，2000年；张和王，2021年；张等人，2024年）。位于中国山东石岛湾的HTR-PM（Lake，2002年）是世界上第一个商业化的第四代核电站，引起了国际上的广泛关注（刘等人，2025年）。表1显示了卵石床高温气冷反应堆的全球发展现状。
卵石床高温气冷反应堆由石墨和碳砖构成，砖块之间存在间隙。这种结构特征使得氦气能够从核心流出，从而导致旁通流动问题。过量的旁通流动会减少进入核心的氦气量，阻碍与燃料卵石之间的充分热交换。这可能导致核心温度过高、反应堆安全裕度降低、发电效率下降等不良后果（郑等人，2014年）。
旁通流动主要包括功能旁通流动和结构旁通流动。功能旁通流动包括控制棒旁通流动和燃料排放管旁通流动。这两者通过特定结构与主氦流分离后进入核心。这部分旁通流动具有特定功能，流量相对较小，对核心热传递的影响不大。然而，结构旁通流动是由卵石床高温气冷反应堆的结构特性引起的。这部分流量较大，分布广泛，且相对难以分析。分布在侧向反射层和侧向绝缘层中的狭窄间隙旁通流动是结构旁通流动的主要组成部分。此外，它具有规则的结构特征，使其更容易分析。因此，深入研究狭窄间隙旁通流动的分布特性对于分析结构旁通流动具有重要意义。
狭窄间隙旁通流动的形成也与卵石床高温气冷反应堆的结构特性密切相关。在相同高度处，相邻砖块之间形成了垂直连续且分布广泛的狭窄间隙。同时，侧向绝缘层和金属核心之间存在间隙（以下简称“碳砖-金属反应堆间隙”）。这些类型的核心结构是氦气不参与整个主流动热交换而流出核心的主要原因，从而导致旁通流动。因此，研究卵石床高温气冷反应堆核心中这些典型间隙结构对旁通流动特性的影响至关重要。
目前，分析狭窄间隙旁通流动问题的主要方法是计算流体动力学（CFD）和流体网络方法。
在卵石床高温气冷反应堆（HTGR）的CFD模拟研究领域，已经开发了涵盖流动、热传递等方面的各种模型。早期，Janse等人（Rensburg和Kleingeld，2010年；Rensburg和Kleingeld，2011a年；Rensburg和Kleingeld，2011b年）为南非的PBMR反应堆建立了核心CFD计算框架，其中包含了复杂的几何和物理模型（如孔隙率、湍流和热辐射），为后续研究奠定了基础。宋世雄等人（Song等人，2013年）开发了多孔介质流体-固体耦合和局部非热平衡模型。彭浩然等人（Peng，2016年；Peng和Sun，2016年）为HTR-PM构建了包括流动阻力和非热平衡模型的系统，提高了局部热-水力计算的准确性。张双宝等人（Zhang等人，2020年）建立了HTR-PM的完整3D几何模型，并获得了功率运行条件下的温度分布。孙世彦等人（Sun等人，2021a年；Sun等人，2021b年；陈福斌等人（Chen和Han，2021年）改进了专用热-水力代码THERMIX中的流动路径建模，使其能够分析狭窄间隙旁通流动和燃料分布不均匀等效应，并将其应用于HTR-10和HTR-PM反应堆的分析。刘伟等人（Liu等人，2024年）对一种新型卵石床高温气冷反应堆进行了1:1几何建模，并进行了CFD计算和分析，考虑了键槽和碳砖-金属反应堆间隙等结构的影响。
关于流体网络方法，已经通过CFD模型获得了卵石床高温气冷反应堆中某些结构的流动阻力特性，并构建了各种通道的流动网络模型来分析旁通流动问题。在这些研究中，T. H. Huang等人（Huang，2008年）基于商业软件Flownex为PBMR核心开发了流动网络模型。利用实验数据，他们得出了键槽的流动阻力特性与欧拉数和雷诺数之间的关系。流动网络模型的结果与CFD模型的结果吻合良好。Zhou Kefeng等人（Zhou等人，2010年）使用V-Power软件将流动网络模型分为热传递模型和流动模型，以分析HTR-PM卵石床反应堆中的热-水力过程。孙军等人（Sun等人，2013年；Sun等人，2011年）使用CFD模型计算了HTR-PM反应堆中控制棒、密封环和狭窄间隙的流动阻力特性。然后通过V-Power软件将这些阻力特性纳入流动网络模型，计算每个通道的旁通流动结果。Fang Junlin等人（Fang等人，2024年）基于V-Power软件为HTR-PM600卵石床反应堆建立了实时模拟流动网络模型，并应用了KLU稀疏矩阵求解器来提高计算速度。
总之，关于卵石床高温气冷反应堆核心中的狭窄间隙旁通流动问题，研究人员开发了适用于CFD分析的各种计算模型，包括局部非热平衡模型、多孔介质模型和氦气属性模型。CFD方法现已达到相对成熟的阶段。然而，CFD模型仍存在显著局限性：首先，它们需要大量的网格单元，消耗大量的计算资源；其次，其几何模型缺乏灵活性，难以有效处理典型核心结构（如键槽和狭窄间隙宽度）变化对旁通流动的影响。
相比之下，当应用流体网络方法分析狭窄间隙旁通流动问题时，可以通过CFD计算首先获得特定特征的流动阻力特性，然后将其纳入网络模型。这种方法不仅远超CFD方法的计算速度，还能通过调整阻力特性和结构参数快速灵活地获取旁通流动结果。
尽管如此，现有的流体网络分析方法仍有几个方面需要改进。首先，当前的网络模型尚未完全构建包含碳砖-金属反应堆间隙通道和键槽结构的核心结构模型。由于碳砖-金属反应堆间隙通道的流动面积较大，它是旁通流动研究中的不可或缺的组成部分，而键槽也会干扰氦气流动，对其优化可以更准确地反映氦气在核心结构中的径向流动模式。其次，在现有的网络模型中，核心仅沿高度方向划分为几个节点。根据流体网络计算方法，这只能计算核心段内的平均温度，无法准确捕捉氦气温度的径向分布或核心内的最高温度。最后，当前的网络模型尚未分析参数变化（如狭窄间隙宽度和键槽配置）对旁通流动的影响，难以为未来卵石床高温气冷反应堆的设计优化提供详细准确的参考。
因此，本研究继续采用将流体网络方法与计算流体动力学（CFD）相结合的技术方法。与现有模型相比，其创新和技术进步体现在三个方面：在结构完整性方面，现有模型仅部分整合了狭窄间隙和核心通道等单一或有限的结构。首次，该模型同时整合了碳砖-金属反应堆间隙（一个具有较大流动面积的关键旁通流动通道）和键槽结构（导致径向流动扰动的关键组成部分），解决了现有模型在全面覆盖核心空间特性方面的不足。在节点离散化方法方面，基于底部反射层的流动分布结构特性，核心通道被径向划分为五个同心环形区域节点。轴向采用交替的节点排列，以考虑键槽端面和非端面倒角之间的阻力差异，在流动反转区域增加了节点密度。与仅沿高度方向进行简单分区的现有模型相比，这种设计显著提高了径向温度分布和流动反转点的预测精度。在阻力模型耦合方面，通过CFD模拟准确获得了键槽端面和非端面倒角的专属压力损失系数，而不是使用现有模型中采用的一般阻力相关性。这增强了旁通流动对结构参数变化的响应敏感性。因此，建立了一个能够完全覆盖卵石床高温气冷反应堆空间特征结构的系统核心网络模型。在此基础上，快速分析了典型核心结构变化（包括狭窄间隙宽度、键槽类型和碳砖-金属反应堆间隙宽度）对核心狭窄间隙旁通流动和“基于温度的旁通严重性指数”的影响机制，计算时间仅需几秒钟。
