散裂靶是加速器驱动的次临界系统(ADS)中的关键耦合部件,决定着整体系统的功率水平,并维持着系统的安全性与稳定性。液态金属无窗散裂靶(简称无窗靶)在热输运性能方面具有潜在的优势,是适用于ADS的更为先进的候选靶型。无窗靶自由液面的形成方式影响着靶件内部的流场分布特性,进而决定了靶系统的功率水平。上旋式液态金属无窗散裂靶(简称上旋靶,UST)是一种新型的ADS无窗靶概念设计,它使用一个固定式叶轮产生上旋流,上旋流在离心作用下向外喷散而形成自由液面。本论文工作使用计算机辅助设计建模和计算流体力学分析相结合、数值模拟和实验验证相结合的研究方法,主要开展了新型上旋靶的模拟设计与热工流体特性研究。通过研究上旋靶结构型式和结构参数对自由液面下方滞止区的调控作用,确定了上旋靶优选靶型结构及参数,最终建立了优化设计靶型。相比于初始靶型,优化靶型具有更小的滞止区及更好的热输运性能。论文的主要研究内容如下:1、研究了上旋靶各功能段结构参数对靶件内部流场分布和滞止区分布的调控作用。针对起旋叶轮的分析表明,起旋叶轮对上旋靶流场分布的调控作用非常显著,叶轮中轴主要为导流作用,叶轮叶片主要为起旋作用。针对过渡段的分析表明,过渡段长度选取为跟束流入射深度一致即可。针对出流段的分析表明,扩口结构参数对流场分布的影响较小,可以根据靶型设计需要灵活选取。经过对比分析确定了各功能段的优选结构参数,由此建立了上旋靶初步靶型UST-A。相比于初始靶型,UST-A可以减小滞止区体积约79%。2、基于靶型UST-A加工1:1尺寸的实验测试靶件,并搭建可视化水模拟实验回路,开展了上旋靶水力学实验测试,对模拟设计方法进行了实验验证。对实验和模拟结果进行对比发现,在当前工况条件下,自由液面位置分布的实验结果与模拟结果基本一致,实验观察到的流动状态也与模拟预测的比较符合。虽然数值模拟存在一定的误差,但模拟方法仍然可以较好地再现实际的自由液面流动过程,这说明目前的模拟计算方法具有一定的有效性和可靠性。3、为了进一步减小滞止区,针对上旋靶过渡段及出流段进行结构优化。通过在出流段扩口前增加缩口,形成“缩口+扩口”的优化靶型结构,使流体先在缩口处提速,再经扩口向外喷散。研究表明,这种优化靶型可以显著改善自由液面区域的流场分布,极大地缩小了滞止区。针对缩口的分析表明,缩口直径取入口直径的80%,既减小了滞止区,也能保证束流有效作用区域不会太小。针对扩口的分析表明,扩口结构参数对流场和滞止区分布的影响较小,可以根据靶型设计需要选取。最终基于优化结构及参数建立了上旋靶优化靶型UST-B。相比于UST-A,UST-B可以进一步减小滞止区体积约69%。4、针对靶型UST-A和UST-B,在入口流量6～9 m3/h范围内,随着流量的增大,自由液面区域的整体流速增大,滞止区尺寸相应地有所减小,该流量范围适合上旋靶形成稳定的自由液面及流场分布,可认为靶型具有较好的流动工况适用性。靶型UST-B的尺寸扩展后流场分布和滞止区分布的变化很小,反映出靶型具有较好的尺寸扩展性。基于靶型UST-B进行外靶管和内靶管对流场分布的协同分析,在内靶管扩口处增加导流片,用于约束流体喷散方向,从而减弱了外靶管对流动的影响,减小了整体靶型尺寸,使靶件结构更紧凑,由此建立了UST-B整体靶型结构。5、使用GEANT4计算了不同束流条件下靶型UST-A和UST-B内发生散裂反应的沉积热分布,然后加载沉积热进行“流场-温度场”耦合计算分析。结果表明,束流能量和束流分布决定了束靶耦合区范围和沉积热分布;使用圆形束时高温流体区位于滞止区内,使用环形束可大幅降低了流体温升;在同等束流功率下,UST-A比UST-B适用的束斑直径更大,从而具有较低的沉积热功率密度和较低的温升;在同等沉积热功率密度下,UST-B比UST-A具有较低的温升;要保证相同的束流条件,UST-B需要扩展靶型尺寸,会增加靶件的空间占位。总体来说,本论文通过研究上旋靶结构对流场及滞止区分布的调控作用,确定了上旋靶优化靶型,并分析了优化靶型的流场分布性能及热输运性能,评估了靶型适用的流动工况条件和束流条件,具有一定的工程应用前景。