CN108875212A - 核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法。(1)对主冷却剂系统进行计算区域划分；(2)分别对各区域建立数学模型，实现系统环路多尺度建模并编写仿真程序，多尺度模型程序包括：热工水力系统程序、热工水力子通道程序和计算流体力学程序；(3)建立各区域的边界接口方案和数据传递方案；(4)根据各区域的尺度特点，建立时间步长设置方案、数据交换方案及收敛判别设置方案；(5)配置主冷却剂系统多尺度程序分布式并行计算环境，实现多区域联合仿真。本发明的适用于核动力装置主冷却剂系统热工水力计算的多尺度分区建模联合仿真方法，既能保证局部计算的精确性，又可以保证计算的快速性。

Description

核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法

技术领域

本发明涉及的是一种反应堆热工水力仿真方法，具体地说是一种核动力装置主冷却剂系统的热工水力仿真方法。

背景技术

核动力装置主冷却剂系统是一回路系统中最重要的系统，拥有反应堆堆芯、稳压器、各环路主泵及蒸汽发生器等主要设备，负责将堆芯燃料产生的热量通过冷却剂传递至二回路，并保证在正常运行工况下，整个回路不会超温超压。主冷却剂系统热工水力计算通常分为三个尺度：系统尺度、部件尺度和局部尺度，对应控制体/网格尺度依次减小。主冷却剂系统是封闭的系统环路，为了保证热工水力计算的稳定性、收敛性和快速性，传统上全环路采用系统尺度的建模方法，即环路的设备及管路中划分同一尺度大小的控制体，各控制体采用同样的数学模型描述，并形成矩阵统一求解各控制体速度和压力，如图1。这种统一尺度的建模的方法由于无法实现局部流场的模拟而无法满足核动力系统设计和分析日益增长的对于精细化计算要求。而全流域局部尺度模拟虽可以满足精细化计算要求，但计算速度慢，仿真效率低。

目前，核动力装置热工水力计算越来越多的应用了分区应用不同尺度模型联合仿真方法，但该方法应用于主冷却剂系统时会遇到很多困难，主要有：

(1)主冷却剂系统是封闭环路，通常为两个或三个环路组成，稳压器布置在其中的一个环路上。如果对系统拆分并分区建模，稳压器对其他环路失去作用，会导致各控制体压力计算振荡，系统流量计算发散，系统稳定性差。

(2)多分区采用不同尺度模型会导致各区域计算的时间步长及计算时间代价差异很大，如果计算序列及收敛条件等设置不当，就会导致仿真效率低，甚至计算发散。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能保证局部计算的精确性，又可以保证计算的快速性的核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对主冷却剂系统进行计算区域划分，

以设备的工质进出口作为划分边界，将主冷却剂系统划分为堆芯压力容器计算区域、蒸汽发生器计算区域、主泵计算区域、稳压器计算区域以及设备之间的管道区域；

(2)分别对各区域建立数学模型，实现系统环路多尺度建模并编写仿真程序，多尺度模型程序包括：热工水力系统程序、热工水力子通道程序和计算流体力学程序；

(3)建立各区域的边界接口方案和数据传递方案；

(4)根据各区域的尺度特点，建立时间步长设置方案、数据交换方案及收敛判别设置方案；

(5)配置主冷却剂系统多尺度程序分布式并行计算环境，实现多区域联合仿真。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用多尺度分区建模的方式，可以针对不同设备的工作特性和流动传热特性在各分区进行独立计算，可以提高系统的局部计算精细度。

(2)本发明依据闭合环路特性和设备功能提出的边界方案和数据传递方案对主冷却剂系统实现了科学拆分，实现了主冷却剂系统计算时各分区的数据闭合传递，解决了系统拆分导致的计算振荡及发散问题。

(3)本发明对主冷却剂系统采用多尺度程序分布式并行计算，既能保证局部精细计算，又可以提高计算效率，实现主冷却剂系统多区域联合仿真。

本发明的适用于核动力装置主冷却剂系统热工水力计算的多尺度分区建模联合仿真方法，既能保证局部计算的精确性，又可以保证计算的快速性。

附图说明

图1是同尺度的主冷却剂系统建模方案；

图2是多尺度建模联合仿真方法步骤图；

图3是下腔室CFD整体建模网格图；

图4是堆芯子通道网格模型图；

图5各区域的边界接口方案和数据传递方案示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图2，本发明的实现步骤如下：

(1)根据系统内的实际设备对主冷却剂系统进行计算区域划分，包括堆芯压力容器计算区域、蒸汽发生器计算区域、主泵区域、稳压器区域以及设备之间的管道区域，所述堆芯压力容器计算区域包括堆芯上腔室及出口段区域、堆芯燃料组件区域、堆芯入口下降段及堆芯下腔室区域；各分区的物理边界必须重合，一一对应。具体是这样实施的：

a.堆芯压力容器计算区域以压力容器出入口为设备边界，堆芯上腔室与燃料组件区域之间设置参数传递边界，堆芯下腔室与燃料组件区域之间设置参数传递边界，计算区域包括压力容器筒体、压力容器进出口、堆芯上腔室、堆芯下腔室、堆芯围板和堆芯内部燃料组件及其定位格架等组成部分；

b.自然循环蒸汽发生器计算区域以压力容器出口、蒸汽发生器一次侧出口、二次侧给水入口和蒸汽管道出口为边界，计算区域包括了蒸汽发生器筒体、U型传热管一次侧和二次侧、汽水分离装置、二次侧管板和一次侧进出口腔室等装置；

c.主泵计算区域以压力容器入口和蒸汽发生器出口为边界，计算区域包括主泵和相应的连接管道等装置；

d.稳压器计算区域以稳压器波动管入口和稳压器腔室为边界，计算区域包括喷淋装置、电加热装置、泄压阀和安全阀等装置；

e.以上设备之间的管道作为独立的建模分区；

(2)根据各区域仿真的精细化需求，分别对各区域建立数学模型，实现系统环路多尺度建模，并编写各自的仿真程序。多尺度计算程序具体包括：热工水力系统程序、热工水力子通道程序和计算流体力学(CFD)程序。系统程序以边界处接管为接口，子通道程序以堆芯顶层、底层的控制体网格为接口，计算流体力学软件以边界面网格为接口。具体是这样实施的：

a.堆芯压力容器计算区域：对堆芯入口下降段及堆芯下腔室采用整体局部尺度模型，在建模区域不做几何简化，如图3所示，直接根据该分区的几何参数建立网格方案，采用CFD程序计算；如图4所示，堆芯内部燃料组件采用部件尺度模型，对堆芯内部燃料组件定位格架及交混翼等进行几何简化，再根据堆芯燃料组件棒束的几何设计参数划分子通道控制体，并采用子通道程序计算；如图5所示，堆芯上腔室及出口段采用系统尺度模型，采用热工水力系统程序计算。

b.自然循环蒸汽发生器计算区域：对全部计算区域采用系统尺度模型，U型传热管划分n个控制体，二次侧与U型管对应划分m个控制体，可以采用均相流或分相流的热工水力系统程序计算。

c.主泵计算区域：主泵属于机械动力设备，采用四象限类比曲线描述主泵的瞬态特性，类比曲线是以扬程比和转矩比的形式画出的，是泵的转速比和容积流量比的函数。该曲线以表格形式输入，因变量作为自变量的函数由表格查找或线性内插获得。

d.稳压器计算区域：对全部计算区域采用系统尺度模型，将稳压器分为水区、汽水混合区和汽区，采用多区均相流模型求解。并且可以设定电加热器加热功率和喷淋流量。

e.管道计算区域：管道可以按照计算精细度要求划分成若干个控制体，对全部计算区域采用系统尺度模型求解。

(3)建立各区域的边界接口方案和数据传递方案，如图5所示，具体是这样实施的：

a.在堆芯压力容器、主泵区域采用传统的入口流量、出口压力边界，在稳压器区域采用入口流量边界，在蒸汽发生器区域采用双端压力边界。

b.堆芯压力容器区入口节点向主泵区出口节点提供压力参数，主泵去出口节点向压力容器区入口节点提供流量参数、焓值参数，蒸发器区出口节点向主泵区入口节点提供流量参数、焓值参数，主泵区入口节点向蒸发器区出口节点提供压力参数。根据仿真对象的实际环路数量，稳压器区的入口节点向各环路的蒸汽发生器区入口及压力容器区出口节点提供压力参数。压力容器出口节点向稳压器入口节点提供焓值参数。

c.在反应堆主冷却剂系统中，上冲下泄流量用来补偿主系统质量的变化，接口在系统环路管道上。本方案在对系统进行拆分后，认为稳压器的波动流量是由上冲下泄流量差引起的，即G_波动＝G_上冲-G_下泄。

(4)根据各计算区域的时间步长及程序尺度特点，建立时间步长设置方案、数据迭代交换方案及收敛判别设置方案。具体是这样实施的：

a.时间步长设置方案：利用Courant准则确定不同尺度程序各自的时间步长限制。在保证计算速度的情况下，对于有双压力边界的模块程序采用小步长；在流量波动小于±2％的情况下，程序尽量选择较大的时间步长。

b.数据迭代交换方案：在每一个时间层内，堆芯内各计算区域进行迭代计算，直到各自达到收敛要求后进行数据交换；在每一个时间层内，主冷却剂系统各设备及管道的程序每迭代计算一次就交换一次数据，不需要等待各自收敛，判断收敛过程转移到了整个迭代过程的最后计算中各区域交换数据后进行，如此反复迭代，直至各区域参数均达到收敛精度为止。

c.收敛判别设置方案：主冷却剂系统中各计算区域设备程序边界之间交换的参数为压力和流量，可以选用流量作为各程序的收敛判断标准，对于换热类设备，如蒸汽发生器、稳压器，可以选择温度作为收敛标准。

(5)配置主冷却剂系统多尺度程序分布式并行计算环境，提高计算效率，实现多区域联合仿真，具体是这样实施的：

反应堆主冷却剂系统结构复杂，单机硬件配置很难完成系统多尺度模型的并行计算，可以采用MPI(Message Passing Interface)标准作为分布式仿真平台的消息传递标准，实现多机并行计算。该方案的优点是不需要对各个计算程序的参量进行集中的管理和分配，每个程序可以利用各自的储存空间进行接收和发送数据，这样即可以保证每个模块的绝对独立性，有利于模块的改造和升级。

在MPI程序设计方案中，如果消息传递顺序不正确，很容易造成死锁。死锁会导致消息装配后无法进行发送和接受，影响并行系统的计算。可以采用以下方法解决：

a.数据交换个数最多的模块首先进行数据发送，反应堆主冷却剂系统稳压器模块需要向四个压力边界传递数据，可以利用稳压器模块首先发送数据；

b.完整性原则，对于多环路系统而言，一个环路数据交换完成后，再进行另一个环路的数据交换；

c.按时针顺序进行数据交换，每个环路按照堆芯、蒸汽发生器、主泵的顺序发送和接收数据。

Claims (6)

1.一种核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法，其特征是包括如下步骤：

(1)对主冷却剂系统进行计算区域划分，

将主冷却剂系统划分为堆芯压力容器计算区域、蒸汽发生器计算区域、主泵计算区域、稳压器计算区域以及设备之间的管道区域；

(2)分别对各区域建立数学模型，实现系统环路多尺度建模并编写仿真程序，多尺度模型程序包括：热工水力系统程序、热工水力子通道程序和计算流体力学程序；

(3)建立各区域的边界接口方案和数据传递方案；

(4)根据各区域的尺度特点，建立时间步长设置方案、数据交换方案及收敛判别设置方案；

(5)配置主冷却剂系统多尺度程序分布式并行计算环境，实现多区域联合仿真。

2.根据权利要求1所述的核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法，其特征是步骤(1)具体包括：

a.堆芯压力容器计算区域包括堆芯上腔室及出口段区域、堆芯燃料组件区域、堆芯入口下降段及堆芯下腔室区域，堆芯压力容器计算区域以压力容器出入口为设备边界，堆芯上腔室与燃料组件区域之间设置参数传递边界，堆芯下腔室与燃料组件区域之间设置参数传递边界，计算区域包括压力容器筒体、压力容器进出口、堆芯上腔室、堆芯下腔室、堆芯围板和堆芯内部燃料组件及其定位格架等组成部分；

b.自然循环蒸汽发生器计算区域以压力容器出口、蒸汽发生器一次侧出口、二次侧给水入口和蒸汽管道出口为边界，计算区域包括了蒸汽发生器筒体、U型传热管一次侧和二次侧、汽水分离装置、二次侧管板和一次侧进出口腔室等装置；

c.主泵计算区域以压力容器入口和蒸汽发生器出口为边界，计算区域包括主泵和相应的连接管道等装置；

d.稳压器计算区域以稳压器波动管入口和稳压器腔室为边界，计算区域包括喷淋装置、电加热装置、泄压阀和安全阀等装置；

e.以上设备之间的管道作为独立的建模分区。

3.根据权利要求1所述的核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法，其特征是步骤(2)具体包括：

a.堆芯压力容器计算区域：对堆芯入口下降段及堆芯下腔室采用整体局部尺度模型，在建模区域不做几何简化，直接根据该分区的几何参数建立网格方案，采用CFD程序计算；堆芯内部燃料组件采用部件尺度模型，对堆芯内部燃料组件定位格架及交混翼进行几何简化，再根据堆芯燃料组件棒束的几何设计参数划分子通道控制体，并采用子通道程序计算；堆芯上腔室及出口段采用系统尺度模型，采用热工水力系统程序计算；

b.自然循环蒸汽发生器计算区域：对全部计算区域采用系统尺度模型，U型传热管划分n个控制体，二次侧与U型管对应划分m个控制体，采用均相流或分相流的热工水力系统程序计算；

c.主泵计算区域：采用四象限类比曲线描述主泵的瞬态特性，类比曲线以表格形式输入，因变量作为自变量的函数由表格查找或线性内插获得；

d.稳压器计算区域：对全部计算区域采用系统尺度模型，将稳压器分为水区、汽水混合区和汽区，采用多区均相流模型求解，并且设定电加热器加热功率和喷淋流量；

e.管道计算区域：管道按照计算精细度要求划分成若干个控制体，对全部计算区域采用系统尺度模型求解。

4.根据权利要求1所述的核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法，其特征是步骤(3)具体包括：

a.在堆芯压力容器、主泵区域采用传统的入口流量、出口压力边界，在稳压器区域采用入口流量边界，在蒸汽发生器区域采用双端压力边界；

b.堆芯压力容器区入口节点向主泵区出口节点提供压力参数，主泵区出口节点向压力容器区入口节点提供流量参数、焓值参数，蒸发器区出口节点向主泵区入口节点提供流量参数、焓值参数，主泵区入口节点向蒸发器区出口节点提供压力参数，根据仿真对象的实际环路数量，稳压器区的入口节点向各环路的蒸汽发生器区入口及压力容器区出口节点提供压力参数，压力容器出口节点向稳压器入口节点提供焓值参数；

c.在反应堆主冷却剂系统中，上冲下泄流量用来补偿主系统质量的变化，接口在系统环路管道上，稳压器的波动流量是由上冲下泄流量差引起的，即G_波动＝G_上冲-G_下泄。

5.根据权利要求1所述的核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法，其特征是步骤(4)具体包括：

a.时间步长设置方案：利用Courant准则确定不同尺度程序各自的时间步长限制；

b.数据迭代交换方案：在每一个时间层内，堆芯内各计算区域进行迭代计算，直到各自达到收敛要求后进行数据交换；在每一个时间层内，主冷却剂系统各设备及管道的程序每迭代计算一次就交换一次数据，不需要等待各自收敛，判断收敛过程转移到了整个迭代过程的最后计算中各区域交换数据后进行，如此反复迭代，直至各区域参数均达到收敛精度为止；

c.收敛判别设置方案：主冷却剂系统中各计算区域设备程序边界之间交换的参数为压力和流量，选用流量作为各程序的收敛判断标准，对于换热类设备选择温度作为收敛标准。

6.根据权利要求1所述的核动力装置主冷却剂系统热工水力多尺度分区仿真方法，其特征是步骤(5)具体包括：

a.数据交换个数最多的模块首先进行数据发送，反应堆主冷却剂系统稳压器模块向四个压力边界传递数据，利用稳压器模块首先发送数据；

b.完整性原则，对于多环路系统而言，一个环路数据交换完成后，再进行另一个环路的数据交换；

c.按时针顺序进行数据交换，每个环路按照堆芯、蒸汽发生器、主泵的顺序发送和接收数据。