CN106203722A - 一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法 - Google Patents

一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法，步骤如下：给定各并联通道的几何及热工水力边界参数；初始化各并联通道的各相计算初值；计算守恒方程源项；对守恒方程进行离散求解；对各通道进行流量分配并判断收敛；判断计算是否结束计算；利用频谱分析方法获得各通道流量并判定管间脉动是否发生；本发明基于两流体模型，能够精确描述两相流动行为；利用频谱分析方法可以准确获得各通道流量的频域信息，从而精确预测核反应堆并联通道管间脉动现象，对核反应堆安全分析具有重要意义。

Description

一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法
技术领域
本发明属于核反应堆安全分析技术领域，具体涉及一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法。
技术背景
随着核能的广泛利用，科学有效地评估核反应堆的安全性越来越重要，对反应堆系统中流动不稳定性现象的研究越来越多。反应堆系统中存在大量的并联冷却剂通道，通道间相互作用会引起各通道流量的震荡，即管间脉动现象。管间脉动发生时，尽管并联通道总流量可能保持不变，某些通道的流量可能发生剧烈变化，影响反应堆的安全运行。核反应堆运行过程中，通道间的局部流量震荡难以准确测量，因此，预测核反应堆并联通道管间脉动对于核安全有着重要意义。
管间脉动是一种两相流动不稳定现象。目前国内外的管间脉动分析中存在两方面问题。第一，计算管间脉动所采用的两相流动模型多基于均相流模型。由于均相流模型将两相流动等效为单相流动，无法对复杂的两相流动不稳定性现象进行准确的描述。第二，现有的两相热工水力分析程序无法专门针对管间脉动特性进行计算分析，难以直接应用于反应堆并联通道管间脉动的预测。
基于以上背景技术，需要发明一种准确描述两相特性，针对管间脉动现象的分析计算方法，使得其能够准确预测核反应堆并联通道管间脉动现象，对反应堆实际运行和安全分析评价提供参考。
发明说明
为解决上述现有的管间脉动分析方法存在的问题，本发明提出了一种基于两流体模型的并联通道管间脉动计算分析方法，既能够对并联通道管间脉动的两相流动行为进行准确计算，又能对管间脉动的特性进行分析。
本发明的采用技术方案为：
一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法，包括如下步骤：
步骤一：给定各并联通道的几何及热工水力边界参数：其中几何参数包括各并联通道的流通面积、高度、水力直径和热力直径，热工水力边界参数包括各并联通道的出口压力、进口流速、进口比焓和热功率：给定计算步长和计算总时间；
步骤二：初始化各并联通道的各相计算初值，包括各并联通道的出口压力、进口流速和进口比焓；
步骤三：根据当前时层的出口压力、进口流速和进口比焓，计算各并联通道的密度、温度以及质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程的源项；
步骤四：对质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程进行离散，并对各并联通道的压力、流速、密度和比焓进行求解；
步骤五：通过判断各通道压降是否相等的方法判定各并联通道的流量分配是否收敛；是则进行下一步，否则重新进行各并联通道的流量分配后，重复步骤三；
步骤六：根据给定的计算步长和计算总时间判断是否完成计算；是则进行下一步，否则计算下一计算时间，返回步骤三进行下一时层的计算；
步骤七：使用频谱分析方法将计算时间内的各通道的流量时域信息变化为频域信息，即可获得各并联通道流量变化的频率、周期及相位；当各通道流量出现反相时，即可判定发生了管间脉动。
与现有方法相比，本发明有如下优点：
1.使用了两流体模型，通过求解各相的守恒方程，对两相行为进行精确的描述。
2.使用频谱分析方法对两流体模型求得的流量信息进行分析，可以准确获得管间脉动的细节信息。
附图说明
图1为本发明的计算流程图。
图2为一种并联通道结构示意图。
图3为一种管间脉动发生时的各通道流量变化的时域信息。
图4为一种管间脉动发生时的各通道流量变化的频域信息。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法，包括如下步骤：
步骤一：取一个典型的压水堆并联双通道，如图2所示。各通道直径10mm，高度1m。给定压力为15Mpa，进口流速为1m/s，进口比焓为1040kJ/kg，热功率为258.3W。给定计算步长为0.01s，计算总时间为20s。
步骤二：本例中，各并联通道的各相计算初值化数值采用步骤一中给定的边界值。
步骤三：本例中，密度采用IAPWS-IF97水物性计算。采用的质量守恒方程为
动量守恒方程为
能量守恒方程为
式中，上标k表示为气相或液相，气相用g表示，液相用f表示。以下为本例中计算源项的方法。为壁面摩擦引起的动量源项，本例中采用Martinelli-Lockhart方法计算两相摩擦阻力。为相间摩擦阻力，本例中采用EPRI方法计算两相相间摩擦阻力。为相间换热，采用Plesset-Zwick方法计算两相之间的换热量。
步骤四：本例对守恒方程采用有限体积法进行离散，采用半隐式压力速度耦合方法进行求解。
步骤五：采用判断各通道压降是否相等的方法判定流量分配是否收敛。若不相等，流量分配的方法为
式中为各通道各相经过分配的入口速度，为上一时层计算的速度，为各通道进口压力，Pa为平均压力。若流量分配不收敛，返回步骤三计算，直至收敛，即得到当前时间的流量。
步骤六：根据给定的计算步长，计算总时间判断是否完成计算。若未完成计算，将当前时间加上给定的时间步长，返回步骤三进行下一时层的计算。直至计算完成。
步骤七：本例中计算得到的流量时域信号如图3所示。使用快速傅里叶变换方法进行频域分析，结果如图4所示。两个通道发生了相位相反，即判定发生了管间脉动。
以上实施例预测了上述形式的反应堆并联通道在上述给定的参数下，会发生管间脉动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：给定各并联通道的几何及热工水力边界参数；其中几何参数包括各并联通道的流通面积、高度、水力直径和热力直径，热工水力边界参数包括各并联通道的出口压力、进口流速、进口比焓和热功率；给定计算步长和计算总时间；
步骤二：初始化各并联通道的各相计算初值，包括各并联通道的出口压力、进口流速和进口比焓；
步骤三：根据当前时层的出口压力、进口流速和进口比焓，计算各并联通道的密度、温度以及质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程的源项；
步骤四：对质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程进行离散，并对各并联通道的压力、流速、密度和比焓进行求解；
步骤五：通过判断各通道压降是否相等的方法判定各并联通道的流量分配是否收敛；是则进行下一步，否则重新进行各并联通道的流量分配后，重复步骤三；
步骤六：根据给定的计算步长和计算总时间判断是否完成计算；是则进行下一步，否则计算下一计算时间，返回步骤三进行下一时层的计算；
步骤七：使用频谱分析方法将计算时间内的各通道的流量时域信息变化为频域信息，即可获得各并联通道流量变化的频率、周期及相位；当各通道流量出现反相时，即可判定发生了管间脉动。
2.根据权利要求1所述的一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法，其特征在于：步骤三所述质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程的源项采用两流体模型。
3.根据权利要求1所述的一种预测核反应堆并联通道管间脉动的方法，其特征在于：步骤四所述质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程的求解过程采用两流体模型。
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