CN110414174B - 一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法和系统，本发明通过引入无量纲密度和无量纲焓值，获得与压力和超临界流体类别无关的无量纲密度和无量纲焓值间简单的数学关系式，突破了拟临界区超临界流体物性畸变给超临界流体自然循环稳态特性理论建模带来的障碍，首次建立了解析形式的超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型，为超临界流体自然循环系统设计优化提供了理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及超临界流体热工研究领域，具体涉及一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法和系统。
背景技术
采用超临界二氧化碳作为循环工质，充分利用拟临界点附近超临界二氧化碳体积膨胀率大，流体密度对温度变化敏感的物性特征，可在自然循环系统内形成可观的驱动力，同时拟临界点附近超临界二氧化碳比热高，密度大等特性也保证了工质具有很强的载热能力，因此采用超临界二氧化碳自然循环实现先进核能系统的高效非能动安全是一个极具吸引力的应用方向。建立适用于超临界流体的自然循环稳态理论分析方法对超临界流体自然循环系统设计和优化具有重要的指导价值。拟临界点附近超临界二氧化碳物性发生畸变的特性使得已有的亚临界单相流体自然循环稳态特性理论建模方法无法直接推广到超临界工况，也为建立解析形式的超临界流体自然循环稳态特性理论模型带来了巨大障碍。
发明内容
为了克服现有亚临界单向流体自然循环稳态特性理论建模方法无法适用超临界工况，导致为超临界流体热工研究受阻的技术问题；本发明提供一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法和系统，获得拟临界区超临界流体物性畸变作用下的解析形式的超临界流体自然循环稳态特性理论模型。
本发明通过下述技术方案实现：
一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法和系统，包括以下步骤：
步骤一，获取自然循环回路的相关测量数据；
步骤二，基于上述测量数据，对流体连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理并获得积分形式的自然循环驱动力；
步骤三，利用无量纲密度和无量纲焓值间关系对步骤二获得的积分形式的自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
优选的，所述步骤二具体包括：
步骤2.1，对获取的相关测量数据进行无量纲化处理，得到无量纲参数；
步骤2.2，采用无量纲参数对流体的连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理；
步骤2.3，沿自然循环回路对无量纲化的动量方程进行积分，获得积分形式的自然循环驱动力和自然循环流动阻力。
优选的，步骤三具体包括：
步骤3.1，利用线性拟合，获得无量纲密度和无量纲焓值间的关系式；
步骤3.2，对无量纲化的能量方程进行积分，利用积分形式的能量方程和无量纲密度和无量纲焓值间的关系式，对自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
优选的，所述步骤3.1获得的无量纲密度和无量纲焓值间的关系式为：
ρ*＝c1-c2h*，
其中，ρ*表示无量纲密度，h*表示无量纲焓值，c1和c2为常数。
优选的，所述步骤一获取的数据包括：自然循环回路中超临界二氧化碳的流量数据、自然循环回路中加热功率数据，自然循环回路中各控制节点在一维坐标中的坐标值数据、自然循环回路中热源和冷源高差数据、自然循环回路中超临界二氧化碳的密度数据以及自然循环回路中的焓值数据。
优选的，所述步骤二中还包括，对步骤一获得的数据进行无量纲化处理，如下式所示：
其中，ω*表示无量纲流量；w表示自然循环回路中超临界二氧化碳实时流量(kg/s)；Ws表示自然循环回路中超临界二氧化碳稳态流量(kg/s)；Q*表示无量纲功率；Q表示自然循环回路中实时加热功率(W)；Qs表示自然循环回路中稳态加热功率(W)；s*表示无量纲坐标；s表示实时坐标(m)；Ls表示自然循环回路总长(m)；z*表示无量纲高差；z表示自然循环回路中热冷源实时高差(m)；Zs表示自然循环回路中冷热源中心高差(m)；ρ*表示无量纲密度，ρ表示实时密度(kg/m3)，ρpc表示临界点密度(kg/m3)；h*表示无量纲焓值，h表示实时焓值(J/kg/K)，hpc表示临界点焓值(J/kg/K)，βpc表示临界点体积膨胀率(1/K)，cp,pc表示临界点比热(W/kg/K)。
另一方面，本发明还提供了一种超临界流体自然循环稳态特性建模系统，该系统包括数据获取模块、无量纲化处理模块和模型构建模块；其中，所述数据获取模块用于获取自然循环回路相关测量数据并将其发送给无量纲化处理模块；所述无量纲化处理模块基于接收到的数据对流体连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理且获得积分形式的自然循环驱动力并输出给模型构建模块；所述模型构建模块利用无量纲密度和无量纲焓值间关系对无量纲化处理模块获得的积分形式的自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
优选的，所述无量纲化处理模块还包括无量纲参数获取单元和积分单元；其中，所述无量纲参数获取单元用于对获取的相关测量数据进行无量纲化处理，得到无量纲参数并将其发送给积分单元；所述积分单元基于获取的无量纲参数对流体的连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理，并沿自然循环回路对无量纲化的动量方程进行积分，获得积分形式的自然循环驱动力和自然循环流动阻力。
优选的，所述模型构建模块包括拟合单元和解析单元；其中，所述拟合单元用于获取无量纲密度和无量纲焓值，并利用线性拟合，得到无量纲密度和无量纲焓值间的关系式；所述解析单元用于对无量纲化的能量方程进行积分，利用积分形式的能量方程和无量纲密度和无量纲焓值间的关系式，对自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
优选的，所述数据获取模块获取的数据包括：自然循环回路中超临界二氧化碳的流量数据、自然循环回路中加热功率数据，自然循环回路中各控制节点在一维坐标中的坐标值数据、自然循环回路中热源和冷源高差数据、自然循环回路中超临界二氧化碳的密度数据以及自然循环回路中的焓值数据。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明通过引入无量纲密度和无量纲焓值，获得与压力和超临界流体类别无关的无量纲密度和无量纲焓值间简单的数学关系式，突破了拟临界区超临界流体物性畸变给超临界流体自然循环稳态特性理论建模带来的障碍，首次建立了解析形式的超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型，为超临界流体自然循环系统设计优化提供了理论支撑。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法，如图1所示。
该方法包括：
步骤一，获取自然循环回路的相关测量数据；
作为优选实施方式，在该步骤一中，通过测量仪器获得自然循环回路中超临界二氧化碳的流量、自然循环回路中加热功率，自然循环回路中各控制节点在一维坐标中的值以及自然循环回路中热源和冷源高差等测量数据。
步骤二，基于上述测量数据，对流体连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理并获得积分形式的自然循环驱动力。
作为优选实施方式，该步骤二还包括：
步骤2.1，对获取的相关测量数据(包括流量、加热功率、坐标值、热冷源高差、密度、焓值等数据)进行无量纲化处理，得到无量纲参数(包括无量纲流量、无量纲功率、无量纲坐标、无量纲高差、无量纲密度和无量纲焓值)。具体如下式所示：
其中，ω*表示无量纲流量；w表示自然循环回路中超临界二氧化碳实时流量(kg/s)；Ws表示自然循环回路中超临界二氧化碳稳态流量(kg/s)；Q*表示无量纲功率；Q表示自然循环回路中实时加热功率(W)；Qs表示自然循环回路中稳态加热功率(W)；s*表示无量纲坐标；s表示实时坐标(m)；Ls表示自然循环回路总长(m)；z*表示无量纲高差；z表示自然循环回路中热冷源实时高差(m)；Zs表示自然循环回路中冷热源中心高差(m)；ρ*表示无量纲密度，ρ表示实时密度(kg/m3)，ρpc表示临界点密度(kg/m3)；h*表示无量纲焓值，h表示实时焓值(J/kg/K)，hpc表示临界点焓值(J/kg/K)，βpc表示临界点体积膨胀率(1/K)，cp,pc表示临界点比热(W/kg/K)；c1和c2为常数。
步骤2.2，采用无量纲参数对流体的连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理。
采用上述步骤2.3获得的无量纲流量、无量纲功率、无量纲坐标和无量纲高差等参数对流体连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理，得到无量纲化的连续性方程、动量方程和能量方程。
步骤2.3，沿自然循环回路对无量纲化的动量方程进行积分，获得积分形式的自然循环驱动力和自然循环流动阻力。
沿自然循环回路对步骤2.2获得的无量纲化的动量方程进行积分，获得积分形式的自然循环驱动力和自然循环流动阻力方程。
步骤三，利用无量纲密度和无量纲焓值间关系对步骤二获得的积分形式的自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
作为优选实施方式，该步骤三还包括：
步骤3.1，利用线性拟合，获得无量纲密度和无量纲焓值间的关系式；
作为优选实施方式，该步骤3.1引用无量纲密度和无量纲焓值，并采用线性拟合，获得无量纲密度和无量纲焓值之间的数学关系式，如下式所示：
ρ*＝c1-c2h*，
其中，ρ*表示无量纲密度，h*表示无量纲焓值。
步骤3.2，对无量纲化的能量方程进行积分，利用积分形式的能量方程和无量纲密度和无量纲焓值间的关系式，对自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
实施例2
本实施例提出了一种超临界流体自然循环稳态特性建模系统，如图2所示。
该系统包括：数据获取模块、无量纲化处理模块和模型构建模块；其中，所述数据获取模块用于获取自然循环回路相关测量数据并将其发送给无量纲化处理模块；所述无量纲化处理模块基于接收到的数据对流体连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理且获得积分形式的自然循环驱动力并输出给模型构建模块；所述模型构建模块利用无量纲密度和无量纲焓值间关系对无量纲化处理模块获得的积分形式的自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
作为优选实施方式，所示数据获取模块采集得到自然循环回路的相关数据，包括：自然循环回路中超临界二氧化碳的流量、自然循环回路中加热功率，自然循环回路中各控制节点在一维坐标中的值、自然循环回路中热源和冷源高差、自然循环回路中超临界二氧化碳的密度以及自然循环回路中的焓值等数据。
作为优选实施方式，所述无量纲化处理模块还包括无量纲参数获取单元和积分单元。
其中，所述无量纲参数获取单元用于对获取的相关测量数据进行无量纲化处理，得到无量纲参数并将其发送给积分单元；所述无量纲参数获取单元对获取的相关测量数据(包括流量、加热功率、坐标值、热冷源高差、密度和焓值等数据)进行无量纲化处理，得到无量纲参数(包括无量纲流量、无量纲功率、无量纲坐标、无量纲高差、无量纲密度和无量纲焓值等参数)。具体如下式所示：
其中，ω*表示无量纲流量；w表示自然循环回路中超临界二氧化碳实时流量(kg/s)；Ws表示自然循环回路中超临界二氧化碳稳态流量(kg/s)；Q*表示无量纲功率；Q表示自然循环回路中实时加热功率(W)；Qs表示自然循环回路中稳态加热功率(W)；s*表示无量纲坐标；s表示实时坐标(m)；Ls表示自然循环回路总长(m)；z*表示无量纲高差；z表示自然循环回路中热冷源实时高差(m)；Zs表示自然循环回路中冷热源中心高差(m)；ρ*表示无量纲密度，ρ表示实时密度(kg/m3)，ρpc表示临界点密度(kg/m3)；h*表示无量纲焓值，h表示实时焓值(J/kg/K)，hpc表示临界点焓值(J/kg/K)，βpc表示临界点体积膨胀率(1/K)，cp,pc表示临界点比热(W/kg/K)；c1和c2为常数。
所述积分单元基于获取的无量纲参数对流体的连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理，并沿自然循环回路对无量纲化的动量方程进行积分，获得积分形式的自然循环驱动力和自然循环流动阻力。
作为优选实施方式，所述模型构建模块包括拟合单元和解析单元。
其中，所述拟合单元用于获取无量纲密度和无量纲焓值，并利用线性拟合，得到无量纲密度和无量纲焓值间的关系式，如下式所示：
ρ*＝c1-c2h*，
其中，ρ*表示无量纲密度，h*表示无量纲焓值。
所述解析单元用于对无量纲化的能量方程进行积分，利用积分形式的能量方程和无量纲密度和无量纲焓值间的关系式，对自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，获取自然循环回路的相关测量数据；
步骤二，基于上述测量数据，对流体连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理并获得积分形式的自然循环驱动力；
步骤三，利用无量纲密度和无量纲焓值间关系对步骤二获得的积分形式的自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型；
步骤三具体包括：
步骤3.1，利用线性拟合，获得无量纲密度和无量纲焓值间的关系式；所述步骤3.1获得的无量纲密度和无量纲焓值间的关系式为：
ρ*＝c1-c2h*
其中，ρ*表示无量纲密度，h*表示无量纲焓值，c1和c2为常数；
步骤3.2，对无量纲化的能量方程进行积分，利用积分形式的能量方程和无量纲密度和无量纲焓值间的关系式，对自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
2.根据权利要求1所述的一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
步骤2.1，对获取的相关测量数据进行无量纲化处理，得到无量纲参数；
步骤2.2，采用无量纲参数对流体的连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理；
步骤2.3，沿自然循环回路对无量纲化的动量方程进行积分，获得积分形式的自然循环驱动力和自然循环流动阻力。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法，其特征在于，所述步骤一获取的数据包括：自然循环回路中超临界二氧化碳的流量数据、自然循环回路中加热功率数据，自然循环回路中各控制节点在一维坐标中的坐标值数据、自然循环回路中热源和冷源高差数据、自然循环回路中超临界二氧化碳的密度数据以及自然循环回路中的焓值数据。
4.根据权利要求3所述的一种超临界流体自然循环稳态特性建模方法，其特征在于，所述步骤二中还包括，对步骤一获得的数据进行无量纲化处理，如下式所示：
其中，ω*表示无量纲流量；w表示自然循环回路中超临界二氧化碳实时流量；Ws表示自然循环回路中超临界二氧化碳稳态流量；Q*表示无量纲功率；Q表示自然循环回路中实时加热功率；Qs表示自然循环回路中稳态加热功率；s*表示无量纲坐标；s表示实时坐标；Ls表示自然循环回路总长；z*表示无量纲高差；z表示自然循环回路中热冷源实时高差；Zs表示自然循环回路中冷热源中心高差；ρ*表示无量纲密度，ρ表示实时密度，ρpc表示临界点密度；h*表示无量纲焓值，h表示实时焓值，hpc表示临界点焓值，βpc表示临界点体积膨胀率，cp,pc表示临界点比热。
5.一种超临界流体自然循环稳态特性建模系统，其特征在于，该系统包括数据获取模块、无量纲化处理模块和模型构建模块；其中，所述数据获取模块用于获取自然循环回路相关测量数据并将其发送给无量纲化处理模块；所述无量纲化处理模块基于接收到的数据对流体连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理且获得积分形式的自然循环驱动力并输出给模型构建模块；所述模型构建模块利用无量纲密度和无量纲焓值间关系对无量纲化处理模块获得的积分形式的自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型；
所述模型构建模块包括拟合单元和解析单元；其中，所述拟合单元用于获取无量纲密度和无量纲焓值，并利用线性拟合，得到无量纲密度和无量纲焓值间的关系式；
无量纲密度和无量纲焓值间的关系式表示为：
ρ*＝c1-c2h*
其中，ρ*表示无量纲密度，h*表示无量纲焓值，c1和c2为常数；
所述解析单元用于对无量纲化的能量方程进行积分，利用积分形式的能量方程和无量纲密度和无量纲焓值间的关系式，对自然循环驱动力进行解析，获得超临界流体自然循环稳态特性理论分析模型。
6.根据权利要求5所述的一种超临界流体自然循环稳态特性建模系统，其特征在于，所述无量纲化处理模块还包括无量纲参数获取单元和积分单元；其中，所述无量纲参数获取单元用于对获取的相关测量数据进行无量纲化处理，得到无量纲参数并将其发送给积分单元；所述积分单元基于获取的无量纲参数对流体的连续性方程、动量方程和能量方程进行无量纲化处理，并沿自然循环回路对无量纲化的动量方程进行积分，获得积分形式的自然循环驱动力和自然循环流动阻力。
7.根据权利要求5所述的一种超临界流体自然循环稳态特性建模系统，其特征在于，所述数据获取模块获取的数据包括：自然循环回路中超临界二氧化碳的流量数据、自然循环回路中加热功率数据，自然循环回路中各控制节点在一维坐标中的坐标值数据、自然循环回路中热源和冷源高差数据、自然循环回路中超临界二氧化碳的密度数据以及自然循环回路中的焓值数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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