CN108875213B - 一种反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法。1：通过堆芯子通道分析程序开展堆芯热工水力计算；2：确定反应堆堆芯关键区域位置与区域范围；3：确定堆芯CFD分析区域的边界条件；4：开展堆芯关键区域的CFD计算；5：整理CFD计算结果，分析堆芯关键区域热工水力重要参量的状态；6：整理CFD计算结果，优化子通道程序的计算模型与守恒方程源项；7：更新子通道程序在堆芯关键区域的热工水力计算模型与守恒方程源项；8：以更新的子通道程序，重复步骤1到步骤5；9：对比相邻两次关键区CFD计算中关键区的重要参量数值，判断是否收敛。本发明能够综合确保堆芯热工水力状态预测精度与效率。

Description

一种反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法

技术领域

本发明涉及的是一种核电站反应堆堆芯热工水力状态的仿真方法，具体地说是一种联合应用核电站反应堆堆芯热工水力多尺度状态分析程序的来进行堆芯热工水力状态预测的技术方法。

背景技术

核电站的安全性与经济性受核反应堆堆芯热工水力状态预测技术水平的影响。反应堆堆芯精细化热工水力计算流体动力学(CFD)程序能够在细致空间尺度上模拟堆芯的传热与流动。这种仿真有利于缩小安全裕量，支持电站功率的提升及燃料周期的延长，保证电站的安全性，提升电站的经济性。

然而反应堆内部结构与流动过程复杂，堆芯热工水力CFD分析的网格量巨大，需要巨量的硬件计算资源与计算时间，很难在工程上进行堆芯状态的快速分析。且堆芯传热与流动准确的CFD计算分析，需要设置准确的计算域边界条件。

堆芯子通道分析程序，以堆芯冷却剂通道、单燃料组件、多燃料组件等堆芯大区域作为建模对象，并且通过使用传热系数、流动阻力系统、横流与湍流交混计算模型等进行传热方程与流动方程的计算。针对同样的堆芯区域，子通道分析所用网格量远少于CFD分析所用网格量，容易进行堆芯热工水力性能分析的工程化应用。但子通道程序分析的精细度程度不如CFD分析，不能分析堆芯栅元尺度区域内的流场分布信息，且计算分析依赖于传热与流动模型系数的经验关联式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够综合确保堆芯热工水力状态预测精度与效率的反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1：通过堆芯子通道分析程序开展堆芯热工水力计算。

步骤2：确定反应堆堆芯关键区域位置与区域范围，具体包括：分析堆芯热工水力子通道程序计算结果，筛选冷却剂、燃料包壳、芯块的高温子通道程序控制体及控制体数量，或大温度梯度、大流速梯度、大压力梯度参量大梯度区所对应的子通道控制体及控制体数量，以所选择的所有控制体所对应的堆芯实际几何区域为堆芯关键区域。

步骤3：确定堆芯CFD分析区域的边界条件，具体包括：针对步骤2所确定的堆芯关键区域，以子通道程序分析中在堆芯关键区域边界上的数据为堆芯关键区域边界条件，对子通道程序分析中在堆芯关键区域边界上的数据进行数值处理，获得的精细分布的参量数据。

步骤4：开展堆芯关键区域的CFD计算，具体包括：针对步骤2所确定的堆芯关键区域，以步骤3所确定的关键区域边界条件，开展堆芯关键区域的CFD计算，并保证所应用的CFD网格方案、湍流模型、离散格式、物性参数适用于堆芯关键区域的计算工况，进而获得并存储堆芯关键区域的精细化热工水力计算数据。

步骤5：整理CFD计算结果，分析堆芯关键区域热工水力重要参量的状态；所述重要参量包括：冷却剂、燃料包壳、燃料芯块的最高温度，固体区与流体区的最高热流密度，冷却剂的最低流速。

步骤6：整理CFD计算结果，优化子通道程序的计算模型与守恒方程源项；具体包括：

1)根据CFD计算所得的精细化流动与传热数据，通过面积加权积分、体积加权积分、质量加权积分等积分方式，处理堆芯CFD计算结果，获得面积加权平均流速、面积加权平均压力、体积加权平局物性参数、质量加权平均温度、面积加权平均热流等宏观参量，以此修正堆芯热工水力子通道程序中的沿程阻力计算模型、局部阻力计算模型、湍流交混计算模型、传热系数等计算模型。

2)通过对CFD结果的积分处理，获得子通道分析程序守恒方程中的各项数值，进而获得为保证子通道守恒方程平衡所需补充的守恒方程源项，研究守恒方程源项的分布规律，并建立守恒方程源项的数学模型，优化子通道分析程序守恒方程源项。

步骤7：更新子通道程序在堆芯关键区域的热工水力计算模型与守恒方程源项。

步骤8：以更新的子通道程序，重复步骤1到步骤5的工作。

步骤9：对比相邻两次关键区CFD计算中关键区的重要参量数值，判断是否收敛，具体内容：判断相邻两次堆芯关键区CFD计算所得重要参量的差别是否小于限定值，若小于结束该工况下两类程序的联合计算，若大于从步骤6继续开始两类程序的联合计算。

为实现堆芯状态的工程化精细化预测，本发明提供了一种能够综合确保堆芯热工水力状态预测精度与效率堆芯热工水力多尺度联合仿真方法。

本发明的主要发明内容：

(1)开展堆芯热工水力子通道计算，并确定堆芯关键区域位置、范围及边界条件；

(2)针对所确定的堆芯关键区域，开展堆芯热工水力精细化CFD计算；

(3)通过堆芯CFD计算结果，优化堆芯热工水力子通道程序的计算模型与守恒方程源项。

所述确定堆芯关键区域位置、范围及边界条件具体包括：

根据堆芯热工水力子通道程序的计算结果，筛选堆芯各关键区域，所述关键区域位置包括：冷却剂、燃料包壳、芯块的高温子通道控制体，或大温度梯度、大流速梯度、大压力梯度等参量大梯度区所对应的子通道控制体。

所述堆芯关键区域范围是所筛选出的堆芯关键区域子通道程序控制体所对应的堆芯实际几何区域。

所述堆芯关键区域边界条件是子通道程序分析中在堆芯关键区域边界上的数据，包括：温度、流速、压力、物理状态(密度、粘度、热导率、比热)等；也可是通过插值、拟合等数值计算方法，对子通道程序分析中在堆芯关键区域边界上的数据进行数值处理，获得的精细分布的参量数据。

所述针对所确定的堆芯关键区域开展堆芯热工水力精细化CFD计算具体包括：

针对堆芯关键区域开展堆芯精细化CFD计算，CFD计算边界条件采用或重构堆芯子通道程序分析所得到的区域边界上的数据。

在CFD计算中，确保CFD网格方案、湍流模型、离散格式、物性参数适用于堆芯关键区域的计算工况，进而获得并存储堆芯关键区域的精细化热工水力计算数据，确定堆芯关键区域热工水力重要参量的状态。所述堆芯关键区域热工水力重要参量包括：冷却剂、燃料包壳、燃料芯块的最高温度，固体区与流体区的最高热流密度，冷却剂的最低流速等。

所述通过堆芯CFD计算结果优化堆芯热工水力子通道程序的计算模型与守恒方程源项具体包括：

1)通过面积加权积分、体积加权积分、质量加权积分等积分方式，处理堆芯CFD计算结果，获得面积加权平均流速、面积加权平均压力、体积加权平局物性参数、质量加权平均温度、面积加权平均热流等宏观参量，以此修正堆芯热工水力子通道程序中的沿程阻力计算模型、局部阻力计算模型、湍流交混计算模型、传热系数等计算模型。

2)通过对CFD结果的积分处理，获得子通道分析程序守恒方程中的各项计算值，进而获得为保证子通道守恒方程平衡所需补充的守恒方程源项，研究守恒方程源项的数值规律，并建立守恒方程源项的数学模型，优化子通道分析程序守恒方程的源项。

本发明的特点主要体现在：

1)针对反应堆堆芯，采用计算量少的堆芯热工水力子通道分析程序进行计算分析，保证堆芯热工水力分析的效率；通过堆芯精细化CFD分析，优化所采用的子通道分析程序中的计算模型与方程源项，提升所采用的子通道分析程序对堆芯几何特征与热工水力特征的适用性。

2)通过堆芯子通道分析确定堆芯热工水力过程的关键区域与范围，只针对堆芯关键区域开展CFD计算分析，能够避免计算资源的浪费，且能够有效降低堆芯CFD计算的时间；通过堆芯子通道分析确定堆芯热工水力关键区域CFD计算的边界条件，能够提升CFD计算边界条件设置的准确性。

附图说明

图1是堆芯热工水力多尺度联合应用的优化内容。

图2是堆芯热工水力多尺度联合应用的实施流程。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

步骤1：通过堆芯子通道分析程序开展堆芯热工水力计算。

步骤2：确定反应堆堆芯关键区域位置与区域范围，具体内容：分析堆芯热工水力子通道程序计算结果，筛选冷却剂、燃料包壳、芯块的高温子通道程序控制体及控制体数量，或大温度梯度、大流速梯度、大压力梯度等参量大梯度区所对应的子通道控制体及控制体数量，以所选择的所有控制体所对应的堆芯实际几何区域为堆芯关键区域。

步骤3：确定堆芯CFD分析区域的边界条件，具体内容：针对步骤2所确定的堆芯关键区域，以子通道程序分析中在堆芯关键区域边界上的数据为堆芯关键区域边界条件，包括：温度、流速、压力、物理状态(密度、粘度、热导率、比热)等；也可是通过插值、拟合等数值计算方法，对子通道程序分析中在堆芯关键区域边界上的数据进行数值处理，获得的精细分布的参量数据。

步骤4：开展堆芯关键区域的CFD计算，具体内容：针对步骤2所确定的堆芯关键区域，以步骤3所确定的关键区域边界条件，开展堆芯关键区域的CFD计算，并保证所应用的CFD网格方案、湍流模型、离散格式、物性参数适用于堆芯关键区域的计算工况，进而获得并存储堆芯关键区域的精细化热工水力计算数据。

步骤5：整理CFD计算结果，分析堆芯关键区域热工水力重要参量的状态，重要参量包括：冷却剂、燃料包壳、燃料芯块的最高温度，固体区与流体区的最高热流密度，冷却剂的最低流速等。

步骤6：整理CFD计算结果，优化子通道程序的计算模型与守恒方程源项，具体内容：

1)根据CFD计算所得的精细化流动与传热数据，通过面积加权积分、体积加权积分、质量加权积分等积分方式，处理堆芯CFD计算结果，获得面积加权平均流速、面积加权平均压力、体积加权平局物性参数、质量加权平均温度、面积加权平均热流等宏观参量，以此修正堆芯热工水力子通道程序中的沿程阻力计算模型、局部阻力计算模型、湍流交混计算模型、传热系数等计算模型。

2)通过对CFD结果的积分处理，获得子通道分析程序守恒方程中的各项数值，进而获得为保证子通道守恒方程平衡所需补充的守恒方程源项，研究守恒方程源项的分布规律，并建立守恒方程源项的数学模型，优化子通道分析程序守恒方程源项。

步骤7：更新子通道程序在堆芯关键区域的热工水力计算模型与守恒方程源项。

步骤8：以更新的子通道程序，重复步骤1到步骤5的工作。

步骤9：对比相邻两次关键区CFD计算中关键区的重要参量数值，判断是否收敛，具体内容：判断相邻两次堆芯关键区CFD计算所得重要参量的差别是否小于限定值，若小于结束该工况下两类程序的联合计算，若大于从步骤6继续开始两类程序的联合计算。

Claims (5)

1.一种反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法，其特征是包括如下步骤：

步骤1：通过堆芯子通道分析程序开展堆芯热工水力计算；

步骤2：确定反应堆堆芯关键区域位置与区域范围；

步骤3：确定堆芯CFD分析区域的边界条件；

步骤4：开展堆芯关键区域的CFD计算；

步骤5：整理CFD计算结果，分析堆芯关键区域热工水力重要参量的状态；

步骤6：整理CFD计算结果，优化子通道程序的计算模型与守恒方程源项；

步骤7：更新子通道程序在堆芯关键区域的热工水力计算模型与守恒方程源项；

步骤8：以更新的子通道程序，重复步骤1到步骤5；

步骤9：对比相邻两次关键区CFD计算中关键区的重要参量数值，判断是否收敛，具体包括：判断相邻两次堆芯关键区CFD计算所得重要参量的差别是否小于限定值，若小于结束在步骤3堆芯CFD分析区域的边界条件所限定的工况下CFD程序与子通道程序两类程序的联合计算，若大于从步骤6继续开始两类程序的联合计算。

2.根据权利要求1所述的反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法，其特征是所述确定反应堆堆芯关键区域位置与区域范围具体包括：分析堆芯热工水力子通道程序计算结果，筛选冷却剂、燃料包壳、芯块的高温子通道程序控制体及控制体数量，或大温度梯度、大流速梯度、大压力梯度参量大梯度区所对应的子通道控制体及控制体数量，以所选择的所有控制体所对应的堆芯实际几何区域为堆芯关键区域。

3.根据权利要求2所述的反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法，其特征是所述确定堆芯CFD分析区域的边界条件具体包括：针对所确定的堆芯关键区域，以子通道程序分析中在堆芯关键区域边界上的数据为堆芯关键区域边界条件，对子通道程序分析中在堆芯关键区域边界上的数据进行数值处理，获得的精细分布的参量数据。

4.根据权利要求3所述的反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法，其特征是所述开展堆芯关键区域的CFD计算具体包括：针对所确定的堆芯关键区域，以所确定的关键区域边界条件，开展堆芯关键区域的CFD计算，并保证所应用的CFD网格方案、湍流模型、离散格式、物性参数适用于堆芯关键区域的计算工况，进而获得并存储堆芯关键区域的精细化热工水力计算数据。

5.根据权利要求4所述的反应堆堆芯热工水力多尺度分析方法，其特征是所述整理CFD计算结果，优化子通道程序的计算模型与守恒方程源项具体包括：

1)根据CFD计算所得的精细化流动与传热数据，通过面积加权积分、体积加权积分、质量加权积分，处理堆芯CFD计算结果，获得面积加权平均流速、面积加权平均压力、体积加权平局物性参数、质量加权平均温度、面积加权平均热流，以此修正堆芯热工水力子通道程序中的沿程阻力计算模型、局部阻力计算模型、湍流交混计算模型、传热系数计算模型；

2)通过对CFD结果的积分处理，获得子通道分析程序守恒方程中的各项数值，进而获得为保证子通道守恒方程平衡所需补充的守恒方程源项，研究守恒方程源项的分布规律，并建立守恒方程源项的数学模型，优化子通道分析程序守恒方程源项。

Images