CN110289111A - 自然循环回路的流量确定方法、装置及服务器 - Google Patents

自然循环回路的流量确定方法、装置及服务器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自然循环回路的流量确定方法、装置及服务器；其中，该方法包括：获取反应堆的自然循环回路的数学模型以及冷却剂参数；根据计算流体动力学原理、堆芯换热段模型及预设的初始回路入口流速，确定各子换热段模型的平均温度；根据自然循环压降平衡原理、平均温度、堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段、管道段模型与冷却剂参数，确定自然循环稳态入口流速；再结合自然循环稳态入口流速及预设的摇摆条件，确定各子换热段模型在摇摆条件下的平均温度变化函数；基于与确定自然循环稳态入口流速类似的原理，确定摇摆条件下冷却剂的自然循环入口流速变化函数。本发明在保证对摇摆条件下自然循环流量变化分析结果精度的同时，提高了分析效率。

Description

自然循环回路的流量确定方法、装置及服务器
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，尤其是涉及一种自然循环回路的流量 确定方法、装置及服务器。
背景技术
随着科技的发展，核能作为一种清洁能源在生产生活中得到了越来越 广泛的应用。海上浮动核电站、核动力舰船等核能发电设施在海洋环境中 运行时，核反应堆的自然循环系统会受到摇摆、倾斜等海洋条件的影响。
现有技术主要通过对CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动 力学)软件改造，采用改造后的软件对摇摆条件下的反应堆自然循环流量 随时间的变化情况进行分析；上述改造主要包括以下两个方面：(1)模型 运动形式实现摇摆；(2)将摇摆条件下引起的附加力(切线加速度、轴向 加速度、科氏加速度)作为动量源项添加到动量方程。然而现有技术中采 用的反应堆自然循环回路过于简单，丢失了反应堆堆芯部分的特征，在分析过程中采用的冷却剂流动方式与实际不符，导致反应堆自然循环流量随 时间的变化分析结果误差较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自然循环回路的流量确定方法、 装置及服务器，以保证对摇摆条件下反应堆自然循环流量随时间的变化分 析结果的精度的同时，降低分析复杂度，提高分析效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种自然循环回路的流量确定方法， 该方法包括：获取反应堆的自然循环回路的数学模型，以及冷却剂的参数； 数学模型包括堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段模型及管道段模型；堆 芯换热段模型包括多个预设长度的子换热段模型；根据计算流体动力学原 理、堆芯换热段模型及预设的初始回路入口流速，确定各个子换热段模型 的平均温度；根据自然循环压降平衡原理、平均温度、堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段、管道段模型与冷却剂的参数，确定冷却剂在自然循环 回路中的自然循环稳态入口流速；根据计算流体动力学原理、堆芯换热段 模型、自然循环稳态入口流速及预设的摇摆条件，确定各个子换热段模型 在摇摆条件下的平均温度变化函数；根据自然循环压降平衡原理、平均温 度变化函数、堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段、管道段模型及冷却剂 的参数，确定冷却剂在摇摆条件下在自然循环回路中的自然循环入口流速 变化函数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方 式，其中，上述根据自然循环压降平衡原理、平均温度、堆芯换热段模型、 蒸汽发生器换热段、管道段模型与冷却剂的参数，确定冷却剂在自然循环 回路中的自然循环稳态入口流速，包括：根据平均温度、堆芯换热段模型 的温度参数、蒸汽发生器换热段模型的温度参数及管道段模型的温度参数， 生成自然循环回路的温度场分布；根据自然循环的压降平衡原理、温度场分布与冷却剂的参数，计算冷却剂在自然循环回路中的自然循环稳态入口 流速。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方 面的第二种可能的实施方式，其中，上述自然循环压降平衡原理、根据温 度场分布与冷却剂的参数，计算冷却剂在自然循环回路中的自然循环稳态 入口流速，包括：根据自然循环压降平衡原理、温度场分布与冷却剂的参 数，计算冷却剂在自然循环回路中的当前自然循环入口流速；计算当前自 然循环入口流速与初始回路入口流速的第一流速差；判断第一流速差是否小于或等于预设的第一精度阈值；如果大于，将当前自然循环入口流速确 定为初始回路入口流速，继续执行计算各个子换热段模型的平均温度的步 骤；如果小于或等于，将当前自然循环入口流速确定为自然循环稳态入口 流速。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方 面的第三种可能的实施方式，其中，上述摇摆条件至少包括摇摆周期及摇 摆幅角；根据自然循环压降平衡原理、平均温度变化函数、堆芯换热段模 型、蒸汽发生器换热段、管道段模型及冷却剂的参数，确定冷却剂在摇摆 条件下在自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数，包括：根据平均 温度变化函数、堆芯换热段模型的温度参数、蒸汽发生器换热段模型的温 度参数及管道段模型温度参数，生成自然循环回路的温度场分布随时间变 化函数；根据自然循环的压降平衡原理、温度场分布随时间变化函数与冷 却剂的参数，计算冷却剂在摇摆条件下在自然循环回路中的自然循环入口 流速变化函数。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方 面的第四种可能的实施方式，其中，上述根据自然循环的压降平衡原理、 温度场分布随时间变化函数与冷却剂的参数，计算冷却剂在摇摆条件下在 自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数，包括：根据温度场分布随 时间变化函数与冷却剂的参数，确定冷却剂在自然循环回路中的当前自然 循环入口流速变化函数；计算当前自然循环入口流速变化函数与自然循环 稳态入口流速的第二流速差；判断第二流速差是否小于或等于预设的第二 精度阈值；如果大于，将当前自然循环入口流速变化函数确定为新的自然 循环稳态入口流速，继续执行确定各个子换热段模型在摇摆周期的平均温 度变化函数的步骤；如果小于或等于，将当前自然循环入口流速变化函数 确定为自然循环入口流速变化函数。
第二方面，本发明实施例还提供一种自然循环回路的流量确定装置， 包括：模型及参数获取模块，用于获取反应堆的自然循环回路的数学模型， 以及冷却剂的参数；数学模型包括堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段模 型及管道段模型；堆芯换热段模型包括多个预设长度的子换热段模型；平 均温度确定模块，用于根据计算流体动力学原理、堆芯换热段模型及预设 的初始回路入口流速，确定各个子换热段模型的平均温度；稳态流速确定模块，用于根据自然循环压降平衡原理、平均温度、所述堆芯换热段模型、 所述蒸汽发生器换热段模型、所述管道段模型与冷却剂的参数，确定冷却 剂在自然循环回路中的自然循环稳态入口流速；平均温度变化确定模块， 用于根据计算流体动力学原理、堆芯换热段模型、自然循环稳态入口流速 及预设的摇摆条件，确定各个子换热段模型在摇摆条件下的平均温度变化 函数；流速变化确定模块，用于根据自然循环压降平衡原理、平均温度变 化函数、所述堆芯换热段模型、所述蒸汽发生器换热段模型、所述管道段 模型及冷却剂的参数，确定冷却剂在摇摆条件下在自然循环回路中的自然 循环入口流速变化函数。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方 式，其中，上述稳态流速确定模块还用于：根据平均温度、所述堆芯换热 段模型的温度参数、所述蒸汽发生器换热段模型的温度参数及所述管道段 模型的温度参数，生成自然循环回路的温度场分布；根据自然循环的压降 平衡原理、温度场分布与冷却剂的参数，计算冷却剂在自然循环回路中的 自然循环稳态入口流速。
结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方 面的第二种可能的实施方式，其中，上述摇摆条件至少包括摇摆周期及摇 摆幅角；流速变化确定模块还用于：根据平均温度变化函数、所述堆芯换 热段模型的温度参数、所述蒸汽发生器换热段模型的温度参数及所述管道 段模型的温度参数，生成自然循环回路的温度场分布随时间变化函数；根 据自然循环的压降平衡原理、温度场分布随时间变化函数与冷却剂的参数， 计算冷却剂摇摆条件下在自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数。
第三方面，本发明实施例还提供一种服务器，包括处理器和存储器， 存储器存储有能够被处理器执行的机器可执行指令，处理器执行机器可执 行指令以实现上述的自然循环回路的流量确定方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种机器可读存储介质，该机器可读 存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执 行时，机器可执行指令促使处理器实现上述的自然循环回路的流量确定方 法。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供了一种自然循环回路的流量确定方法、装置及服务 器；在获取反应堆的自然循环回路的数学模型，以及冷却剂的参数后，根 据计算流体动力学原理、堆芯换热段模型及预设的初始回路入口流速，确 定各个子换热段模型的平均温度；再根据自然循环压降平衡原理、平均温 度、堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段、管道段模型与冷却剂的参数， 确定冷却剂在自然循环回路中的自然循环稳态入口流速；结合自然循环稳 态入口流速，确定各个子换热段模型在摇摆条件下的平均温度变化函数； 最后根据自然循环压降平衡原理、平均温度变化函数、堆芯换热段模型、 蒸汽发生器换热段、管道段模型及冷却剂的参数，确定冷却剂在摇摆条件 下在自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数。该方式采用了符合自 然循环回路的数学模型，依据自然循环压降平衡原理在对自然循环稳态入 口流速及自然循环入口流速变化函数的分析过程进行了简化，在保证对摇 摆条件下反应堆自然循环流量随时间的变化分析结果的精度的同时，降低 了分析复杂度，提高了分析效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征 和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述 技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实 施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下 面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于商用反应堆系统分析程序或商用CFD 软件分析摇摆条件下的反应堆自然循环流量随时间的变化情况流程图；
图2为本发明实施例提供的一种反应堆自然循环回路的模型图；
图3为本发明实施例提供的一种自然循环回路的流量确定方法的流程 图；
图4为本发明实施例提供的另一种自然循环回路的流量确定方法的流 程图；
图5为本发明实施例提供的另一种反应堆自然循环回路的模型图；
图6为本发明实施例提供的一种多尺度程序耦合的摇摆工况下反应堆 自然循环流量计算方法的第一部分流程图；
图7为本发明实施例提供的一种多尺度程序耦合的摇摆工况下反应堆 自然循环流量计算方法的第二部分流程图；
图8为本发明实施例提供的一种自然循环回路的流量确定装置的结构 示意图；
图9为本发明实施例提供的一种服务器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，在现有技术中，可以基于已有成熟的商用反应堆系统分析程序 (ReactorExcursion and Leak Analysis Program，REAP)或商用CFD软件分 析摇摆条件下的反应堆自然循环流量随时间的变化情况；与稳态下的通流 量分析相比，在分析摇摆状态下的流量变化情况时，需要对商用反应堆系 统分析程序或商用CFD软件进行以下两个方面的改造，主要包括：(1)模 型运动形式实现摇摆；(2)将摇摆条件下引起的附加力(切线加速度、轴向加速度、科氏加速度)作为动量源项添加到动量方程。利用改造后的程 序对带求解算例进行计算，得到摇摆条件下反应堆自然循环流量随时间的 变化情况，具体流程如图1所示。
REAP软件与CFD软件相比，REAP软件的计算精细程度及准确程度 不及CFD软件。例如，对于摇摆工况下反应堆自然循环流量计算这一问题， 系统程序中仅能得到堆芯总体的自然循环流量变化，无法具体地获得堆芯 内各处(如各组件、各通道)的自然循环流量变化。而在摇摆条件下，反 应堆堆芯内不同位置处的流量分布差异较大，这对反应堆的热工特性及安 全性具有重要影响，系统程序的计算结果不能很好地满足问题需要。同时， 系统程序不考虑湍流模型，摩擦阻力系数等参数依赖于经验值或人为输入 设定，这些因素也造成其计算结果的准确度不及CFD程序。然而，在REAP 软件及CFD软件中完成上述提及的两方面模型修改工作均较为繁杂。
此外，在采用CFD进行流量分析时，受制于计算资源和计算时间等因 素，对简化的反应堆自然循环回路进行建模，其模型示意图如图2所示； 图2中，H1为冷却段和加热段高度(此处假设两者高度相等)，H2为非换 热段高度，H0为冷热段直线距离，R为回路圆角半径，L1、L2分别为回路 宽度、回路高度。该模型完全丢失了最重要的反应堆堆芯部分的特征，将实际堆芯中复杂的棒束间流动变为了管内流动，在流动形式上与实际不符， 同时无法准确反映出堆芯组件定位格架对堆芯内冷却剂流体流动的影响， 导致反应堆自然循环流量随时间的变化分析结果误差较大。
基于此，本发明实施例提供了一种自然循环回路的流量确定方法、装 置以及服务器，可以应用于各种摇摆条件下的反应堆自然循环回路。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种自然 循环回路的流量确定方法进行详细介绍。
参见图3所示的一种自然循环回路的流量确定方法的流程图，该方法 包括以下步骤：
步骤S300，获取反应堆的自然循环回路的数学模型，以及冷却剂的参 数；数学模型包括堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段模型及管道段模型； 堆芯换热段模型包括多个预设长度的子换热段模型。
具体地，上述反应堆的自然循环回路的数学模型的原型为反应堆冷却 剂系统(简称一回路)；理论上，当建立的数学模型与反应堆冷却剂系统的 数学特征越匹配，对该系统的相关参数的分析结果越准确；通常根据反应 堆冷却剂系统各个部分的特性参数，可以在数学模型中，分别建立堆芯换 热段模型、蒸汽发生器换热段模型及管道段模型；三者的温度特性及冷却 剂的流动形式不同，数学模型可以包括流动参数、传热参数及几何参数等；上述冷却剂的参数可以包括冷却剂密度、动力粘度、雷诺数、摩擦系数等 参数。上述子换热段模型可以理解为将堆芯换热段模型根据回路几何参数 情况划分为连续的若干个长度单元。
步骤S302，根据计算流体动力学原理、堆芯换热段模型及预设的初始 回路入口流速，确定各个子换热段模型的平均温度。
上述计算流体动力学是流体力学的一个分支，简称CFD，是近代流体 力学，数值数学和计算机科学结合的产物。该学科以电子计算机为工具， 应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算 机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。根据该学科编写的软件包括但 不限于Fluent、STAR-CCM+(STAR-CD)、CFX等。
具体地，将数学模型中的会导致冷却剂温度变化的部分(堆芯换热段 或蒸汽发生器换热段)的温度参数及预设的初始回路入口流速输入到CFD 软件中，即可以得到该段模型对应的温度分布情况。
步骤S304，根据自然循环压降平衡原理、平均温度、堆芯换热段模型、 蒸汽发生器换热段模型、管道段模型与冷却剂的参数，确定冷却剂在自然 循环回路中的自然循环稳态入口流速。
具体地，可以将该段模型对应的温度分布情况代入整个回路的数学模 型中，结合冷却剂的冷却剂密度、动力粘度、雷诺数、摩擦系数得到自然 循环稳态入口流速；当预设的初始回路入口流速越接近理论自然循环稳态 入口流速时，计算得到的自然循环稳态入口流速越接近理论自然循环稳态 入口流速，因此常常会采用循环计算的方式得到更接近理论值的自然循环 稳态入口流速。
步骤S306，根据计算流体动力学原理、堆芯换热段模型、自然循环稳 态入口流速及预设的摇摆条件，确定各个子换热段模型在摇摆条件下的平 均温度变化函数。
上述摇摆条件可以包括摇摆周期、摇摆幅度等；上述自然循环入口流 速变化函数通常可以为自然循环入口流速在一个摇摆周期中的变化情况。 CFD软件中包含初始的计算模型，通常来说，该模型无法对摇摆条件下的 自然循环回路参数进行计算；此时可以通过用户定义函数(User-Defined Function，UDF)对CFD软件进行改造，得到可以应用于摇摆条件的CFD 软件。
步骤S308，根据自然循环压降平衡原理、平均温度变化函数、堆芯换 热段模型、蒸汽发生器换热段模型、管道段模型及冷却剂的参数，确定冷 却剂在摇摆条件下在自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数。
具体地，将摇摆条件、数学模型中的会导致冷却剂温度变化的部分(堆 芯换热段或蒸汽发生器换热段)的温度参数及自然循环稳态入口流速输入 到改造后的CFD软件中，即可以得到该段模型在摇摆周期内对应的温度分 布情况(通常为随时间变化的周期函数，函数周期与摇摆周期一致)；再将 该段模型对应的温度分布情况带入整个回路的数学模型中，结合冷却剂的 冷却剂密度、动力粘度、雷诺数、摩擦系数得到自然循环入口流速变化函数；当向CFD软件中输入的自然循环入口流速变化函数越接近理论自然循 环入口流速变化函数时，计算得到的自然循环入口流速变化函数接近理论 自然循环入口流速变化函数，因此常常会采用循环计算的方式得到更接近 理论值的自然循环入口流速变化函数。
本发明实施例提供了一种自然循环回路的流量确定方法；在获取反应 堆的自然循环回路的数学模型及冷却剂的参数后，根据计算流体动力学原 理、堆芯换热段模型及预设的初始回路入口流速，确定各个子换热段模型 的平均温度；再根据自然循环压降平衡原理、平均温度、堆芯换热段模型、 蒸汽发生器换热段模型、管道段模型与冷却剂的参数，确定冷却剂在自然 循环回路中的自然循环稳态入口流速；结合自然循环稳态入口流速，确定各个子换热段模型在摇摆条件下的平均温度变化函数；最后根据自然循环 压降平衡原理、平均温度变化函数、堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段 模型、管道段模型及冷却剂的参数，确定冷却剂在摇摆条件下在自然循环 回路中的自然循环入口流速变化函数。该方法采用了符合自然循环回路的 数学模型，依据自然循环压降平衡原理在对自然循环稳态入口流速及自然 循环入口流速变化函数的分析过程进行了简化，在保证对摇摆条件下反应 堆自然循环流量随时间的变化分析结果的精度的同时，降低了分析复杂度， 提高了分析效率。
本发明实施例还提供了另一种自然循环回路的流量确定方法，该方法 在图1所示的方法基础上实现，其流程图如图4所示；该方法主要描述了 自然循环稳态入口流速及摇摆条件下的自然循环入口流速变化函数的获取 过程；该方法可以基于改造后的商用CFD软件实现。该方法包括以下步骤：
步骤S400，获取反应堆的自然循环回路的数学模型及冷却剂的参数； 数学模型包括堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段模型及管道段模型。
在一些具体实施例中，上述堆芯换热段包括带定位格架组件；对应的 堆芯换热段模型的参数也包含了带定位格架组件的几何参数、流动参数及 温度参数。上述数学模型将简化的自然循环回路划分为如图5所示的蒸汽 发生器换热段(也称sg换热段，图5右上灰色回路段)、堆芯换热段(也称 rc换热段，图5左下角灰色回路段)、管道段(图5中其余回路段)，并在 数学模型中根据回路几何参数情况划分为连续的若干个长度单元(如各长 度单元的尺度等分取1cm)。
步骤S402，根据计算流体动力学原理、堆芯换热段模型及预设的初始 回路入口流速，计算各个子换热段模型的平均温度。
具体地，当在堆芯换热段中包括带定位格架组件时，在CFD中针对带 定位格架的反应堆堆芯组件进行建模，即在CFD中的堆芯换热段模型为带 定位格架组件的模型。将预设的初始回路入口流速输入到CFD软件中，进 行带定位格架组件稳态计算，可以得到组件轴向上各截面平均温度，即堆 芯换热段的各个子换热段的平均温度。
步骤S404，根据平均温度、堆芯换热段模型的温度参数、蒸汽发生器 换热段模型的温度参数及管道段模型的温度参数，生成自然循环回路的温 度场分布。
上述温度参数可以为对于sg换热段(即上述蒸汽发生器换热段)、管道 段，在回路流量计算程序中进行合理的温度假定。例如，在sg换热段，每 个长度单元上的温度从换热段进口到出口等差分布，壁面温度与换热段内 冷却剂温差恒定，均为逆流换热对数平均温差。管道段可视为绝热，冷却 剂温度不变，也可以选取一个管道段对流传热系数，并根据对流传热关系 式计算管道段的温度分布(即上述温度场分布)。接下来，再根据温度场分 布与冷却剂的参数，进一步计算冷却剂在自然循环回路中的自然循环稳态 入口流速。
步骤S406，根据自然循环的压降平衡原理、温度场分布与冷却剂的参 数，计算冷却剂在自然循环回路中的当前自然循环入口流速。
上述自然循环的压降平衡原理即为回路中各项压降的代数和为0。在稳 态下，达压降平衡时，根据上述原理可以得到如下公式：
-∑Δpel＝∑Δpf+∑Δpc (1)
式中，∑Δpel为提升压降，Δpf为摩擦压降，Δpc为局部压降。
其中，各个压降可以通过以下公式计算得到：
Δpel＝ρgΔzcosθ (2)
式中，θ为摇摆时的倾角(稳态时为0)，f为摩擦系数，K为形阻系数。 根据估算的雷诺数大小，摩擦系数选用布拉休斯关系式计算，并考虑非等 温流动修正，有：
式中，μw、μf分别为壁面温度和冷却剂温度下的冷却剂动力粘度。
在计算中，根据输入的rc换热段各截面温度数据及sg换热管、管道段 温度假定，计算温度对应的冷却剂密度、动力粘度、雷诺数、摩擦系数等 参数值；根据(1)式，求解得到该温度场下形成的自然循环入口速度(相当 于上述自然循环入口流速)。对于温度与上述相关参数的对应关系，可以依 据设计手册的物性参数表插值得到或选用经验关系式等方法计算。对于方 程(1)的求解可以采用二分法、试算逼近法等求解。
由以上各式可以发现，温度场的变化将通过引起冷却剂密度、冷却剂 动力粘度等参数的变化进而影响各项压降的大小，从而改变已经达成的自 然循环平衡，形成新的平衡；而新平衡下的自然循环流量又会反过来影响 温度场的分布，这就是本发明实施例提出的技术方案遵循的原理。
步骤S408，计算当前自然循环入口流速与初始回路入口流速的第一流 速差；由于在稳态下，理论上当前自然循环入口流速与初始回路入口流速 应该相等；计算第一速度差，可以估算计算误差。
步骤S410，判断第一流速差是否小于或等于预设的第一精度阈值。如 果大于，执行步骤S412；如果小于或等于，执行步骤414；为了控制计算 精度，引入了第一精度阈值。
步骤S412，将当前自然循环入口流速确定为初始回路入口流速，执行 步骤S402。
步骤S414，将当前自然循环入口流速确定为自然循环稳态入口流速。
上述步骤S412和S414可以总结为循环计算当前自然循环入口流速的 过程，直至前后两次的当前自然循环入口流速差异满足计算精度要求，将 其作为自然循环稳态入口流速。上述步骤的主要目的为计算得到稳态下的 自然循环流量(与自然循环稳态入口流速相等)，以作为自然循环入口流速 变化函数获取的必要输入条件。
步骤S416，根据计算流体动力学原理、堆芯换热段、自然循环稳态入 口流速及预设的摇摆条件，确定各个子换热段在摇摆周期的平均温度变化 函数；上述摇摆条件中至少包括摇摆周期。
具体地，对CFD软件进行改造，得到可以计算摇摆条件下的自然循环 入口流速的CFD软件。将在步骤S414得到的自然循环稳态入口流速输入 到改造后的CFD软件中，进行带定位格架组件稳态计算，可以得到组件轴 向上各截面在一个摇摆周期内的平均温度随时间变化的函数，即堆芯换热 段的各个子换热段的平均温度随时间变化的函数。
步骤S418，根据平均温度变化函数、堆芯换热段模型的温度参数、蒸 汽发生器换热段模型的温度参数、管道段模型的温度参数，生成自然循环 回路的温度场分布随时间变化函数。
接下来，根据温度场分布随时间变化函数与冷却剂的参数，计算冷却 剂在摇摆条件下在反应堆循环回路中的自然循环入口流速变化函数。
步骤S420，根据自然循环的压降平衡原理、温度场分布随时间变化函 数与冷却剂的参数，确定冷却剂在自然循环回路中的当前自然循环入口流 速变化函数。
在摇摆条件下，根据自然循环的压降平衡原理，回路中达压降平衡时， 有：
-∑Δpel＝∑Δpf+∑Δpc+∑Δpadd (6)
式中，Δpadd为摇摆条件下附加力引起的附加压降；Δpadd通过下述公式 计算得到：
式中，A为自然循环回路所围面积。根据与步骤S404的相似原理，对 于方程(7)的求解可以采用二分法、试算逼近法等求解，得到自然循环回 路的温度场分布随时间变化函数。
具体地，可以在摇摆周期中进行各个时间点取样，确定时间步；从而 计算各个时间步的自然循环入口速度，根据一个周期内各个时间步的自然 循环入口速度的数据特征，选择合适的函数形式进行函数拟合，得到当前 自然循环入口流速变化函数。
步骤S422，计算当前自然循环入口流速变化函数与自然循环稳态入口 流速的第二流速差。由于在同一摇摆状态下，理论上当前自然循环入口流 速函数与前一自然循环入口流速函数应该相同；具体实施过程中，在计算 第二速度差时，可以分别计算当前自然循环入口流速函数与前一自然循环 入口流速函数的各个参数之间的误差，并累加得到第二速度差，或者针对 不同的参数赋予权重后，计算得到第二速度差；计算第二速度差，可以估算得到的自然循环入口流速函数的误差。
步骤S424，判断第二流速差是否小于或等于预设的第二精度阈值；如 果大于，执行步骤S426；如果小于或等于，执行步骤S428。为了控制计算 精度，引入了第二精度阈值。
步骤S426；将当前自然循环入口流速变化函数确定为新的自然循环稳 态入口流速，执行步骤S416；具体地即在计算平均温度变化函数时，将当 前自然循环入口流速变化函数替换自然循环稳态入口流速进行后续计算。
步骤S428，将当前自然循环入口流速变化函数确定为自然循环入口流 速变化函数。
上述步骤S426和S428可以总结为循环计算当前自然循环入口流速变 化函数的过程，直至前后两次的入口速度变化函数差异满足计算精度要求， 将其作为摇摆条件下反应堆自然循环流量变化结果。
本发明实施例首先计算了较为精确的自然循环稳态入口流速，然后结 合自然循环稳态入口流速，确定了一定精度要求的自然循环入口流速变化 函数；该方法降低了摇摆条件下反应堆自然循环流量随时间的变化分析结 果的误差，提高了精度。
对应于上述实施例，本发明实施例还提供了一种多尺度程序耦合的摇 摆工况下反应堆自然循环流量计算方法；该方法基于改造后的商用CFD软 件，并借鉴系统程序的简化思想自行利用基础编程语言(如C++)编制的 自然循环回路流量计算程序(以下图文中简称“回路流量计算程序”)实现。 并且在CFD中，针对带定位格架的反应堆堆芯组件进行了建模，使得在计 算过程中更贴近真实的冷却剂流动情况。
整体计算方案分为两大部分，第一部分的目的是计算得到稳态下的自 然循环流量(相当于上述发明实施例中的自然循环稳态入口流速)，以作为 开始第二部分计算的必要输入条件。第二部分的目的是计算得到摇摆条件 下的自然循环流量(相当于上述发明实施例中的自然循环入口流速变化函 数)。
第一部分的流程图如图6所示，包括以下步骤：
(1)输入任意给定入口速度。
(2)在未改造的CFD软件中进行带定位格架组件稳态计算，得到输 出组件轴向上各截面平均温度。
(3)结合组件轴向上各截面平均温度及回路流量计算程序中对sg换热 段和管道段的温度假定，在回路流量计算程序中进行各长度单元的冷却剂 密度等物性参数、摩擦系数、流速、各项压降计算。
(4)根据回路自然循环压降平衡方程，输出当前计算的自然循环稳态 入口速度。
(5)循环此过程，直至前后两次的入口速度差异满足计算精度要求， 将其作为稳态自然循环流量。
第二部分的流程图如图7所示，包括以下步骤：
(1)输入第一部分得到的稳态自然循环流量。
(2)在改造后的CFD软件中进行带定位格架组件摇摆条件瞬态计算， 得到各时间步组件轴向上各截面平均温度。
(3)对每个时间步的截面平均温度，均按第一部分作类似处理(即输 入到回路流量计算程序中，结合sg换热段和管道段温度假定，根据回路自 然循环压降平衡方程，求解当前的自然循环入口速度并输出)。
(4)根据各时间步的自然循环入口速度数据特征选择合适函数形式 (如正弦函数)进行函数拟合，得到摇摆条件下自然循环入口速度变化函 数。
(5)循环此过程，直至前后两次的入口速度变化函数差异满足计算精 度要求，将其作为摇摆条件下反应堆自然循环流量变化结果。
此外针对于上述技术方案，有以下情况需要说明：
1、对于本发明实施例中所提到的CFD软件，包括但不限于Fluent、 STAR-CCM+(STAR-CD)、CFX等，凡是替换使用具备相似功能的软件程 序均属本发明的保护范围之内。
2、CFD软件中的模型改造方式，包括但不限于通过UDF、用户场函 数等。
3、CFD中的建模包括不限于组件建模、堆芯建模、棒束建模，包括有 或没有定位格架的情况。
4、自然循环回路流量计算程序所使用的编程语言不作限定，包括不限 于C++、java等。
5、CFD软件和回路流量计算程序之间的计算结果数据交换，既包括手 动输入输出，也包括通过编写文件数据读写代码、通过UDF等其他方式自 动实现输入输出。
6、回路流量计算程序中所涉及的摩擦系数关系式包括不限于布拉休斯 关系式，物性参数的计算包括但不限于数据插值公式、经验关系式等，凡 是实现相应计算功能的方式均属于本发明的保护范围之内。
7、回路流量计算程序中压降平衡方程的求解方法，包括但不限于二分 法、试算逼近法等。
8、回路流量计算程序中关于sg换热段、管道段的温度假设或热工假设， 可以根据问题的实际情况以及对结果准确度的要求程度，作出多种假定方 式，也可以根据已有或未来的有关研究结果对相应假定进行优化，对上述 假定的修改或优化均在本发明的保护范围之内。
9、回路流量计算程序中回路长度单元的划分方式可以根据问题的实际 情况以及对结果准确度的要求程度进行修改，同时不局限于等距划分，也 可以非等距划分，上述修改均在本申请文件的保护范围之内。
本发明实施例在商用CFD软件上进行摇摆工况的模型改造，利用商用 CFD软件强大的UDF等工具，使改造工作便捷、高效；且对反应堆最关键 的部分，也是问题最关注的部分即堆芯，利用CFD软件进行计算，符合实 际的棒束间流动并能反映定位格架的影响；由于CFD软件可以实现三维模 拟，有多种经广泛检验的湍流模型，实现更加精细、准确的计算模拟结果。 同时，为解决回路整体自然循环流量的计算，借鉴系统程序的简化理念， 依据压降平衡方程编制自然循环回路流量计算程序，实现CFD程序和回路 流量计算程序计算结果的对接交互，在不超出CFD对计算资源限制的前提 下(网格数量控制在可实现的千万级)，更好满足问题需求。
对应于上述实施例，本发明实施例还提供一种自然循环回路的流量确 定装置，其结构示意图如图8所示；该装置包括：模型及参数获取模块800， 用于获取反应堆的自然循环回路的数学模型，以及冷却剂的参数；数学模 型包括堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段模型及管道段模型；堆芯换热 段模型包括多个预设长度的子换热段模型；平均温度确定模块802，用于根 据计算流体动力学原理、堆芯换热段模型及预设的初始回路入口流速，确定各个子换热段模型的平均温度；稳态流速确定模块804，用于根据自然循 环压降平衡原理、平均温度、堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段、管道 段模型与冷却剂的参数，确定冷却剂在自然循环回路中的自然循环稳态入 口流速；平均温度变化确定模块806，用于根据计算流体动力学原理、堆芯 换热段模型、自然循环稳态入口流速及预设的摇摆条件，确定各个子换热 段模型在摇摆条件下的平均温度变化函数；流速变化确定模块808，用于根 据自然循环压降平衡原理、平均温度变化函数、堆芯换热段模型、蒸汽发 生器换热段、管道段模型及冷却剂的参数，确定冷却剂在摇摆条件下在自 然循环回路中的自然循环入口流速变化函数。
具体地，上述稳态流速确定模块还用于：
(1)根据平均温度、堆芯换热段模型的温度参数、蒸汽发生器换热段 模型的温度参数及管道段模型的温度参数，生成自然循环回路的温度场分 布。
(2)根据自然循环的压降平衡原理、温度场分布与冷却剂的参数，计 算冷却剂在自然循环回路中的自然循环稳态入口流速。
具体地，上述摇摆条件至少包括摇摆周期及摇摆幅角；上述流速变化 确定模块还用于：
(1)根据平均温度变化情况、堆芯换热段模型的温度参数、蒸汽发生 器换热段模型的温度参数及管道段模型的温度参数，生成自然循环回路的 温度场分布随时间变化函数。
(3)根据自然循环的压降平衡原理、温度场分布随时间变化函数与冷 却剂的参数，计算冷却剂摇摆条件下在反应堆循环回路中的自然循环入口 流速变化函数。
本发明实施例提供的自然循环回路的流量确定装置，与上述实施例提 供的自然循环回路的流量确定方法具有相同的技术特征，所以也能解决相 同的技术问题，达到相同的技术效果。
本发明实施例还提供了一种服务器，参见图9所示，该服务器包括处 理器130和存储器131，该存储器131存储有能够被处理器130执行的机器 可执行指令，该处理器130执行机器可执行指令以实现上述的自然循环回 路的流量确定方法。
进一步地，图9所示的服务器还包括总线132和通信接口133，处理器 130、通信接口133和存储器131通过总线132连接。
其中，存储器131可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至 少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口133(可以是有线或者无线)实 现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广 域网，本地网，城域网等。总线132可以是ISA总线、PCI总线或EISA总 线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示， 图9中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总 线。
处理器130可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现 过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器130中的硬件的集成逻辑电路 或者软件形式的指令完成。上述的处理器130可以是通用处理器，包括中 央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing， 简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称 ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可 以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用 处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合 本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完 成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以 位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可 编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器 131，处理器130读取存储器131中的信息，结合其硬件完成前述实施例的 方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质 存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，该 机器可执行指令促使处理器实现上述自然循环回路的流量确定方法，具体 实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的自然循环回路的流量确定方法、装置和服务器 的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程 序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可 参见方法实施例，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使 用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发 明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的 部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储 介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服 务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步 骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光 盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用 以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于 此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围 内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变 化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利 要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自然循环回路的流量确定方法，其特征在于，包括：
获取反应堆的自然循环回路的数学模型，以及冷却剂的参数；所述数学模型包括堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段模型及管道段模型；所述堆芯换热段模型包括多个预设长度的子换热段模型；
根据计算流体动力学原理、所述堆芯换热段模型及预设的初始回路入口流速，确定各个所述子换热段模型的平均温度；
根据自然循环压降平衡原理、所述平均温度、所述堆芯换热段模型、所述蒸汽发生器换热段模型、所述管道段模型与所述冷却剂的参数，确定所述冷却剂在所述自然循环回路中的自然循环稳态入口流速；
根据计算流体动力学原理、所述堆芯换热段模型、所述自然循环稳态入口流速及预设的摇摆条件，确定各个所述子换热段模型在所述摇摆条件下的平均温度变化函数；
根据自然循环压降平衡原理、所述平均温度变化函数、所述堆芯换热段模型、所述蒸汽发生器换热段模型、所述管道段模型及所述冷却剂的参数，确定所述冷却剂在所述摇摆条件下在所述自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据自然循环压降平衡原理、所述平均温度、所述堆芯换热段模型、所述蒸汽发生器换热段模型、所述管道段模型与所述冷却剂的参数，确定所述冷却剂在所述自然循环回路中的自然循环稳态入口流速，包括：
根据所述平均温度、所述堆芯换热段模型的温度参数、所述蒸汽发生器换热段模型的温度参数及所述管道段模型的温度参数，生成所述自然循环回路的温度场分布；
根据自然循环压降平衡原理、所述温度场分布与所述冷却剂的参数，计算所述冷却剂在所述自然循环回路中的所述自然循环稳态入口流速。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据自然循环压降平衡原理、所述温度场分布与所述冷却剂的参数，计算所述冷却剂在所述自然循环回路中的所述自然循环稳态入口流速，包括：
根据自然循环压降平衡原理、所述温度场分布与所述冷却剂的参数，计算所述冷却剂在所述自然循环回路中的当前自然循环入口流速；
计算所述当前自然循环入口流速与所述初始回路入口流速的第一流速差；
判断所述第一流速差是否小于或等于预设的第一精度阈值；
如果大于，将所述当前自然循环入口流速确定为初始回路入口流速，继续执行计算各个所述子换热段模型的平均温度的步骤；
如果小于或等于，将所述当前自然循环入口流速确定为所述自然循环稳态入口流速。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述摇摆条件至少包括摇摆周期及摇摆幅角；根据自然循环压降平衡原理、所述平均温度变化函数、所述堆芯换热段模型、所述蒸汽发生器换热段模型、所述管道段模型及所述冷却剂的参数，确定所述冷却剂在所述摇摆条件下在所述自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数，包括：
根据所述平均温度变化函数、所述堆芯换热段模型的温度参数、所述蒸汽发生器换热段模型的温度参数及所述管道段模型的温度参数，生成所述自然循环回路的温度场分布随时间变化函数；
根据自然循环的压降平衡原理、所述温度场分布随时间变化函数与所述冷却剂的参数，计算所述冷却剂在所述摇摆条件下在所述自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据自然循环的压降平衡原理、所述温度场分布随时间变化函数与所述冷却剂的参数，计算所述冷却剂在所述摇摆条件下在所述自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数，包括：
根据所述温度场分布随时间变化函数与所述冷却剂的参数，确定所述冷却剂在所述自然循环回路中的当前自然循环入口流速变化函数；
计算所述当前自然循环入口流速变化函数与所述自然循环稳态入口流速的第二流速差；
判断所述第二流速差是否小于或等于预设的第二精度阈值；
如果大于，将所述当前自然循环入口流速变化函数确定为新的自然循环稳态入口流速，继续执行确定各个所述子换热段模型在所述摇摆周期的平均温度变化函数的步骤；
如果小于或等于，将所述当前自然循环入口流速变化函数确定为所述自然循环入口流速变化函数。
6.一种自然循环回路的流量确定装置，其特征在于，包括：
模型及参数获取模块，用于获取反应堆的自然循环回路的数学模型，以及冷却剂的参数；所述数学模型包括堆芯换热段模型、蒸汽发生器换热段模型及管道段模型；所述堆芯换热段模型包括多个预设长度的子换热段模型；
平均温度确定模块，用于根据计算流体动力学原理、所述堆芯换热段模型及预设的初始回路入口流速，确定各个所述子换热段模型的平均温度；
稳态流速确定模块，用于根据自然循环压降平衡原理、所述平均温度、所述堆芯换热段模型、所述蒸汽发生器换热段模型、所述管道段模型与所述冷却剂的参数，确定所述冷却剂在所述自然循环回路中的自然循环稳态入口流速；
平均温度变化确定模块，用于根据计算流体动力学原理、所述堆芯换热段模型、所述自然循环稳态入口流速及预设的摇摆条件，确定各个所述子换热段模型在所述摇摆条件下的平均温度变化函数；
流速变化确定模块，用于根据自然循环压降平衡原理、所述平均温度变化函数、所述堆芯换热段模型、所述蒸汽发生器换热段模型、所述管道段模型及所述冷却剂的参数，确定所述冷却剂在所述摇摆条件下在所述自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述稳态流速确定模块还用于：
根据所述平均温度、所述堆芯换热段模型的温度参数、所述蒸汽发生器换热段模型的温度参数及所述管道段模型的温度参数，生成所述自然循环回路的温度场分布；
根据自然循环的压降平衡原理、所述温度场分布与所述冷却剂的参数，计算所述冷却剂在所述自然循环回路中的所述自然循环稳态入口流速。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述摇摆条件至少包括摇摆周期及摇摆幅角；所述流速变化确定模块还用于：
根据所述平均温度变化函数、所述堆芯换热段模型的温度参数、所述蒸汽发生器换热段模型的温度参数及所述管道段模型的温度参数，生成所述自然循环回路的温度场分布随时间变化函数；
根据自然循环的压降平衡原理、所述温度场分布随时间变化函数与所述冷却剂的参数，计算所述冷却剂所述摇摆条件下在所述自然循环回路中的自然循环入口流速变化函数。
9.一种服务器，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器执行所述机器可执行指令以实现权利要求1至5任一项所述的自然循环回路的流量确定方法。
10.一种机器可读存储介质，其特征在于，该机器可读存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，机器可执行指令促使处理器实现权利要求1至5任一项所述的自然循环回路的流量确定方法。
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