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加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)是国际公认在嬗变长寿命核废物、从根本上处置核废物的一个极有前途的新型核系统。ADS系统由强流质子加速器、散裂靶件和次临界堆芯构成。散裂靶件通过高能质子轰击重金属的散裂反应,为次临界堆芯提供维持运行所需的外部高能中子源。作为加速器和次临界堆芯的耦合部件,散裂靶件对系统整体的运行安全起到了至关重要的作用,是ADS系统相关研究最主要的组成部分之一。本文基于散裂靶件中最有前景的无窗散裂靶件设计概念,围绕两大基本问题:无窗散裂靶件中自由界面完整稳定性和散裂区域流动场,开展了深入的模拟实验和数值研究。论文主要工作包括:(1)分析了无窗散裂靶件自由界面流动现象的控制方程,基于方程无量纲化得到的5个无量纲数,对模拟实验进行了模化分析,论证了模拟实验可行性。(2)开展了模拟无窗散裂靶件的初步设计和机理研究实验回路的建设,以及基于初步设计的模拟无窗散裂靶件实验研究。实验采用普通摄像、高速摄像和片激光诱导荧光的方法,对自由界面流动场进行了可视化研究。可视化实验在自由界面控制方法,自由界面形态行为和散裂区域流场特性上取得了实验成果。(3)基于初步设计的模拟无窗散裂靶件几何结构开展了二维和三维数值模拟,应用不同湍流模型结合VOF界面追踪方法,重构了模拟无窗散裂靶件自由界面以及散裂区域流场,对比了不同湍流模型适用性,初步得到了适用于模拟无窗散裂靶件自由界面流动的数值方法。(4)开展了基于模拟无窗散裂靶件初步设计尺寸的数值优化工作。通过对12个候选设计的二维和三维数值模拟筛选,得到了最优化设计方案。(5)开展了模拟无窗散裂靶件的优化设计和多功能ADS无窗散裂靶件水力实验系统的建设,以及基于优化设计模拟靶件基础上的实验研究。实验研究在自由界面形态行为,自由界面宽度,漩涡滞止区长度,锥形段沿程压力分布和锥形段出口下方腔压力随流量的变化规律上取得了实验成果。(6)开展了基于优化设计模拟无窗散裂靶件的360度全尺度三维数值模拟,通过对比数值模拟结果和实验结果在自由界面形态行为,自由界面宽度,漩涡滞止区长度,锥形段沿程压降和锥形段出口下方腔压力随流量变化上的规律,进一步校验和验证了,前文总结的模拟无窗散裂靶件自由界面流动模拟方法的适用性。本文旨在通过开展无窗散裂靶件的模拟实验和数值研究,得到靶件中自由界面和散裂区域流场的形成机理和变化规律,初步建立一个实验和数值研究的经验数据库,为后续的无窗散裂靶件研究提供一定基础。