CN109190253A - 一种带绕丝燃料组件的网格模型刻画方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带绕丝燃料组件的网格模型刻画方法，包括以下步骤：首先建立不含绕丝的燃料组件通道几何模型；建立适用于燃料组件通道截面的平面拓扑结构；在拓扑结构上设置节点数目及分布，形成面网格；拉伸面网格，形成三维结构化六面体网格模型；检查每个网格单元中心与绕丝中心线距离是否小于绕丝半径，据此标记绕丝网格单元；分离并移除标记网格单元，形成带绕丝的燃料组件通道网格模型；本发明解决了以往改变绕丝直径或改变绕丝与燃料棒中心距之后使用非结构化网格刻画带绕丝燃料组件时可能出现的，网格数量过大、网格质量低、几何结构与真实情况不符等问题，同时易于根据绕丝结构改变而生成不同的网格模型，便于对绕丝结构进行敏感性分析和优化设计。

Description

一种带绕丝燃料组件的网格模型刻画方法

技术领域

本发明涉及快中子反应堆堆芯热工水力设计领域，特别涉及计算快堆堆芯带绕丝燃料组件的网格模型刻画方法。

背景技术

快中子反应堆堆芯为紧凑的热源，流道复杂，组件数量多。单个组件棒束区通常由置于六角形外套管的多个燃料棒围成的通道组成。燃料棒以正三角形栅格的形式排布。轴向方向上，相邻燃料棒之间由按照一定螺距缠绕的金属绕丝固定。绕丝结构的引入使得快堆组件的热工水力现象具有极强的三维特征，温度场与流场等均呈现极不均匀的分布。准确模拟冷却剂在快堆单盒组件中的热工水力特性，对快堆堆芯的设计和安全分析非常重要。

快堆单盒组件几何结构十分复杂：组件棒束区域内流道狭长，其特征尺寸跨越多个数量级，轴向尺寸(米量级)与径向尺寸(毫米量级)差距大；径向方向上，相邻燃料棒之间、六角形套管内壁与燃料棒间存在几毫米的间隙，而金属绕丝沿轴向螺旋式地缠绕在每根燃料棒上，绕丝与燃料棒之间仅间隔几十微米；在二维横截面与三维视图上，绕丝和燃料棒的接触分别近乎点接触和线接触。这些结构特点对燃料组件的网格模型刻画带来了挑战。

目前对带绕丝组件的网格模型刻画通常采用非结构化四面体或多面体网格自动生成技术，为了进行后续的网格划分，建立几何模型时普遍采用的两种方法为：1)保持燃料棒和绕丝直径不变，略微减小燃料棒与绕丝之间的中心距；2)保持燃料板与绕丝中心距不变，适当增大绕丝的直径。通过两种处理方法使得绕丝略微嵌入燃料棒包壳内，从而将三维的线接触变为面接触，以克服网格模型刻画的困难。这些简化方式使得计算模型均在一定程度上与真实模型不符，模拟结果产生不确定误差；相比于结构化网格，非结构化网格空间填充效率低，质量差，耗费计算机内存大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术不足，提供一种带绕丝燃料组件的网格模型刻画方法，解决了采用非结构化网格模型刻画带来的内存耗费大、网格质量低的问题，且避免了改变模型几何尺寸以处理点、线接触这类方法带来的模型不确定误差的问题，可以最大程度地保证对带绕丝燃料组件的几何刻画真实性。

本发明的解决方案是：

首先建立欲计算的带绕丝燃料组件的几何模型，根据快堆堆芯设计参数或计算需要确定组件的几何尺寸，然后忽略绕丝几何特征，建立光滑燃料棒与燃料盒构成的流通通道几何模型。

然后使用结构化六面体网格刻画不含绕丝的燃料组件模型，将流通通道分为内部通道和外部通道，划分的依据是通道的几何形状，一般的，内部通道由中空的六边形通道构成，外部通道为这些六边形通道与燃料盒之间的间隙构成的多边形通道。对两部分通道分别建立方形块拓扑结构并与实体几何相关联，设定各边节点数量，生成结构化六面体网格。

之后使用用户自定义函数检查上述六面体网格的每一个单元，若单元位于原本燃料组件的绕丝位置，则将该单元做标记；对所有绕丝所在位置的单元标记结束后，分离并移除这些单元，即形成了刻画带绕丝燃料组件的网格模型。

本发明具体包括以下步骤：

步骤1：建立不含绕丝结构的燃料组件通道几何模型，具体地，绘制通道横截面形状，然后沿轴向拉伸，生成三维通道几何模型；

步骤2：使用结构化六面体网格刻画步骤1中建立的几何模型，具体可以分为以下步骤：

步骤2-1：创建多个二维的方形块拓扑填充求解的几何模型，将棒束区域分为两部分：燃料棒之间的间隙组成的内部通道以及燃料棒与六边形套管形成的外部通道，分别进行方形块拓扑的构建；

步骤2-2：分别设置内部通道与外部通道的各网格边参数，生成二维面网格；

步骤2-3：将内部通道和外部通道内的网格进行融合，形成完整的棒束区横截面二维面网格；

步骤2-4：拉伸步骤2-3中获得的棒束区横截面二维面网格，获得三维结构化六面体网格；

步骤3：使用用户自定义函数工具，标记绕丝网格的网格单元，分离并移除绕丝所在的网格单元，形成带绕丝燃料组件的流通通道网格模型，具体可以分为以下步骤：

步骤3-1：根据几何参数绕丝的螺距H_w、燃料棒与绕丝中心距a、棒束长度L和绕丝起点的相位角确定绕丝中心线的参数方程：

其中θ为角度参数，取值0到2πL/H_w；

步骤3-2：检查步骤2中获得的三维结构化六面体网格的每个单元，若单元中心与步骤3-1中绕丝中心线的距离小于绕丝半径，则对该单元进行标记，否则跳过该单元；从而找到所有绕丝所在空间位置的网格单元；

步骤3-3：从计算域中分离出已标记出的绕丝网格并删除，得到带绕丝的组件棒束区域网格。

相比于以往改变绕丝直径或绕丝与燃料棒中心距之后使用非结构化网格刻画带绕丝燃料组件的方法，本发明带来以下有益效果：

1)本发明方法使用结构化网格刻画流通通道，其网格单元质量更高，在计算过程中收敛更快、收敛稳定性更好；空间填充率高，减少了网格数量，可以节约计算过程中的内存使用；针对绕丝这一微小几何特征，结构化网格可以采用较大的长纵横比网格单元刻画，进一步减少了网格数量。

2)在生成结构化网格时暂时忽略了绕丝几何特征，因此极大简化了网格划分过程，只需要简单的平面拓扑和轴向拉伸即可，否则复杂的绕丝结构难以建立结构化网格的拓扑结构，只能采用非结构化网格填充；

3)使用参数方程描述绕丝的几何特征，更精确地描述了绕丝的几何结构；绕丝的结构参数很容易在参数方程中修改，便于对这些参数进行敏感性分析、最优化设计。

附图说明

图1为典型快堆不含绕丝61棒束燃料组件几何模型。

图2为对不含绕丝燃料组件进行结构化六面体网格划分的过程示意，其中：图2a为内部通道拓扑结构，图2b为外部通道拓扑结构，图2c为内部通道二维结构化网格，图2d为外部通道二维结构化网格，图2e为合并、拉伸后整个通道的三维结构化六面体网格局部示意图。

图3为绕丝结构示意图，其中图3a为绕丝与燃料棒的结构示意图，图3b为绕丝中心线即螺旋线的示意图。

图4为绕丝所在网格单元的分离过程，其中图4a为分离出的绕丝网格单元，图4b为分离并移除绕丝网格后形成的带绕丝的燃料组件通道网格模型。

图5为本发明流程图。

具体实施方式

以下结合图5所示流程图，以典型快堆为例，对本发明作进一步的详细描述。

本发明一种带绕丝燃料组件的网格模型刻画方法，包括以下步骤：

步骤1：对典型快堆燃料组件棒束区域建立三维几何模型。选取的计算域轴向包括整个活性段，径向为61根含绕丝燃料棒与六角形套管形成的流体通道。几何建模阶段不需要建出61根绕丝的几何，具体地，绘制通道横截面形状，然后沿轴向拉伸，生成三维通道几何模型，如图1所示。

步骤2：使用结构化六面体网格对步骤1所建立的几何模型进行刻画，具体地：

步骤2-1：创建多个二维的方形块拓扑填充求解的几何模型：将棒束区域分为两部分：燃料棒之间的间隙组成的内部通道以及燃料棒与六边形套管形成的外部通道，分别进行方形块拓扑的构建，以更好地贴近几何；对于内部通道，将包覆几何的原始二维平面块多次切割后进行关联，先对每一个块进行O型切割，再将分割出的6个块的顶点和边映射到六边形和圆构成的间隙几何，如图2a所示。对于外部通道，将生成初始拓扑块后切割为多个四边形块，再与几何进行相对应的点和线关联，如图2b所示；

步骤2-2：分别设置内部通道与外部通道的各网格边参数即节点数目和分布，生成二维面网格，其中，在边界层处设定指数形式的分布律，以加密绕丝对应位置的网格，如图2c与图2d所示；

步骤2-3：将内部通道和外部通道内的网格进行融合，即边界上相应节点合并，形成完整的棒束区横截面二维面网格；

步骤2-4：拉伸步骤2-3中获得的棒束区横截面二维面网格，获得三维结构化六面体网格；由于冷却剂的主流方向为轴向，为减小网格数量，指定较大的轴向网格尺寸。图2e为获得的不含绕丝的棒束区三维结构化六面体网格。

步骤3：使用用户自定义函数工具，标记绕丝网格的网格单元，分离并移除绕丝所在位置的网格单元，形成带绕丝燃料组件的流通通道网格模型。具体地，分为以下步骤：

步骤3-1：给定绕丝的轨迹方程以确定绕丝所在的位置。金属绕丝以一定的螺距缠绕在燃料棒上，其横截面为圆，如图3a所示，其中心线轨迹为图3b所示的圆柱螺旋线。本例中绕丝中心线所在位置的参数方程为

式中：a为燃料棒和绕丝中心距；H_w为绕丝的螺距；θ为角度参数，取值0到2πL/H_w；为绕丝起点的相位角。式中对右螺旋线取正号，左螺旋线取负号。每一个横截面上，绕丝的圆心即为轨迹方程在此高度(z)上的点，其坐标设为(x₀，y₀，z₀)；

步骤3-2：给定轴向坐标(z₀)时，判定某网格单元的x和y方向坐标值与轨迹方程上的点坐标(x₀，y₀)之间的距离是否小于等于绕丝的半径(R)。若小于等于绕丝的半径，则将这些网格单元标记为绕丝网格区域；否则，检查下一个网格单元。在整个域内进行网格单元循环，找到所有绕丝网格区域；

步骤3-3：从计算域中分离出已标记出的绕丝网格并移除，得到带绕丝的组件棒束区域网格。

图4a示出了所分离出的61根绕丝的网格。移除绕丝后所新增的网格面即为各个绕丝的外壁面。图4b为最终的含绕丝组件棒束区域横截面以及纵截面网格。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种带绕丝燃料组件的网格模型刻画方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立不含绕丝结构的燃料组件通道几何模型，具体地，绘制通道横截面形状，然后沿轴向拉伸，生成三维通道几何模型；

步骤2：使用结构化六面体网格刻画步骤1中建立的几何模型，具体可以分为以下步骤：

步骤2-1：创建多个二维的方形块拓扑填充求解的几何模型，将棒束区域分为两部分：燃料棒之间的间隙组成的内部通道以及燃料棒与六边形套管形成的外部通道，分别进行方形块拓扑的构建；

步骤2-2：分别设置内部通道与外部通道的各网格边参数，生成二维面网格；

步骤2-3：将内部通道和外部通道内的网格进行融合，形成完整的棒束区横截面二维面网格；

步骤2-4：拉伸步骤2-3中获得的棒束区横截面二维面网格，获得三维结构化六面体网格；

步骤3：使用用户自定义函数工具，标记绕丝网格的网格单元，分离并移除绕丝所在的网格单元，形成带绕丝燃料组件的流通通道网格模型，具体可以分为以下步骤：

步骤3-1：根据几何参数绕丝的螺距H_w、燃料棒与绕丝中心距a、棒束长度L和绕丝起点的相位角确定绕丝中心线的参数方程：

其中θ为角度参数，取值0到2πL/H_w；

步骤3-2：检查步骤2中获得的三维结构化六面体网格的每个单元，若单元中心与步骤3-1中绕丝中心线的距离小于绕丝半径，则对该单元进行标记，否则跳过该单元；从而找到所有绕丝所在空间位置的网格单元；

步骤3-3：从计算域中分离出已标记出的绕丝网格并删除，得到带绕丝的组件棒束区域网格。