CN110543704B - 一种在反应堆堆芯流场计算中考虑局部结构影响的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在反应堆堆芯流场计算中考虑局部结构影响的修正方法，能够在针对带定位格架的燃料组件进行三维热工水力计算时，将定位格架对局部流场的影响添加到整体流场计算中进行修正；修正过程为：1、确定修正区域；2、计算区域几何模型建立；3、局部流场水力学分析；4、计算影响范围及影响因子；5、代入整体计算进行修正；本发明能够改进现有堆芯流场三维分析程序难以体现定位格架附近局部流场的缺陷，提高了数值计算所得到的结果的准确性；本发明对局部流场修正方法的成功建立，能够适用于各类计算流体力学分析程序对包含类似结构的各种棒束/管束通道在不同工况下进行数值模拟，得到能够体现局部结构附近局部流场的计算结果；该修正方法同样适用于其他类似设备的类似工况。

Description

一种在反应堆堆芯流场计算中考虑局部结构影响的修正方法

技术领域

本发明属于核电厂关键设备三维热工水力特性分析技术领域，具体涉及一种在反应堆堆芯流场计算中考虑局部结构影响的修正方法。

背景技术

在核电厂运行过程中，反应堆堆芯中冷却剂对燃料组件的冷却能力，是衡量核电厂安全性和经济性的重要标准之一。因此，针对反应堆堆芯进行流动换热特性分析，获取其内部的热工水力参数对核电厂的设计和维护具有非常重要的意义。在早期的研究工作中，反应堆堆芯一般通过一维方法划分节点进行研究。随着研究领域的拓宽和技术手段的成熟，三维数值模拟逐渐成为分析反应堆堆芯详细热工水力参数分布的重要研究手段。

由于反应堆堆芯中包含的燃料棒数量十分庞大，因此在现有的数值模拟研究中，通常采用多孔介质方法对棒束区域进行简化。多孔介质方法采用平均参数代替局部参数，其优点是可以用尽可能少的网格数量完成整体建模，获得尽可能高精度的整体参数分布，极大的减少了计算资源的消耗，广泛应用于核电关键设备的三维热工水力特性计算领域。然而，在一些需要局部参数作为输入条件的研究中，如反应堆堆芯中的定位格架处的污垢沉积研究和流致振动研究等，多孔介质方法获得的平均参数不能满足其要求，因此还需要在整体参数分布的基础上，针对定位格架附近区域进行局部流场修正。

国内外研究

在采用多孔介质模型对棒束/管束区域等进行分析方面，国内外均开展过相关研究。EPRI于1984年推出适用于UTSG和OTSG二次侧三维热工水力特性分析CFD程序ATHOS，该程序通过求解基于多孔介质模型的均相流和三方程漂移流模型，可以较好的模拟常见蒸汽发生器内管束区的流动换热情况。Cong基于多孔介质模型和四方程漂移流模型自主开发了蒸汽发生器二次侧三维两相分析程序STAF，开发了更加适用于过冷沸腾和饱和沸腾的热流密度二分沸腾模型。但由于多孔介质方法的限制，这些程序都无法获得棒束/管束通道中定位格架处的局部流场信息。

综上，目前国内外研究者对采用多孔介质对棒束/管束区域模拟方面进行了大量研究，但根据调研，针对在反应堆堆芯流场分析中添加定位格架带来的局部流场修正，目前仍存在较大空白。因此需要提出一种在反应堆堆芯流场三维计算中添加局部结构影响的流场修正方法，获得污垢沉积、流致振动等后续研究所需要的关键输入参数。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在反应堆堆芯流场计算中考虑局部结构影响的修正方法，能够改进现有堆芯流场三维分析程序无法体现定位格架附近局部流场的缺陷，提高数值计算所得到的结果的准确性；本发明对局部流场修正方法的成功建立，能够适用于各类计算流体力学分析程序对包含类似结构的各种棒束/管束通道在不同工况下进行数值模拟，得到能够体现局部结构附近局部流场的计算结果；该修正方法同样适用于其他类似设备的类似工况。

一种在反应堆堆芯流场计算中考虑局部结构影响的修正方法，步骤如下：

步骤1：确定修正区域：

首先确定需要在堆芯流场三维热工水力特性整体计算中添加修正的局部区域；在堆芯流场三维分析程序中，只对结构复杂的棒束区域进行多孔介质简化，导致仅能对燃料组件整体热工水力参数分布进行研究，而对定位格架对局部流场带来的影响未加以考虑；而这些局部参数，主要是局部速度分布，在对堆芯流场进行安全性和经济性分析时，是非常重要的输入条件；因此，需要根据研究的对象以及后续研究的要求，确定需要进行修正的区域；在燃料组件棒束通道计算中，需要对定位格架附近局部流场进行修正，因此需要确定定位格架的几何形状、布置位置；

步骤2：计算区域几何模型建立：

根据已确定的修正区域，建立局部流场计算需要的精细几何模型；计算区域几何模型的建立应满足能够通过相应的水力学计算分析得出定位格架对局部流场的影响，因此需应用几何建模软件分别建立无定位格架棒束通道模型和有定位格架棒束通道几何模型，二者计算同一工况并将结果进行对比得出定位格架的影响；考虑到燃料组件内棒束数量较多，则根据对称性对几何模型进行简化，选取5×5棒束区域作为计算区域；

建立的计算区域几何模型具体包括：流体入口面和流体出口面分别作为进出口边界条件，棒束壁面和定位格架壁面作为壁面边界条件；

步骤3：局部流场水力学分析：

将步骤2中建立的计算区域几何模型，即不包含定位格架和包含定位格架的两套棒束通道几何模型，分别代入质量守恒、动量守恒、能量守恒三个控制方程中，并采用稳态计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算；计算中所需的边界条件、物性参数设置均与燃料组件实际工况一致；计算主要能够获得速度场的三维分布；由于在后续进行的安全性和经济性分析中，最关注的是流体流速在沿棒束方向与垂直棒束方向上的分量，因此，定义横流速度和顺流速度，具体如下：

v_shun＝v_z

其中：

v_heng——横流速度；

v_x——x方向即垂直棒束方向速度分量；

v_y——y方向即垂直棒束且与x方向垂直的速度分量；

v_shun——顺流速度；

v_z——z方向即沿棒束的速度分量；

并求取在不同横截面上的加权平均值，得到横流速度和顺流速度沿轴向方向的分布；

步骤4：计算影响范围及影响因子：

根据步骤3中得到的横流速度和顺流速度沿轴向方向的分布，能够确定棒束通道定位格架对附近流场的影响范围和影响程度；在横流速度方面，无定位格架时横流速度恒定为零，由于定位格架导致的流体流通面积突变，在定位格架进口面和出口面将存在两个横流速度峰值；在顺流速度方面，无定位格架时顺流速度与设定的流体来流速度相同，由于流体流通面积的突变，在整个定位格架范围内顺流速度存在峰值；定位格架对局部流场的影响主要集中在格架本身附近，而在格架前后的棒束通道区域影响不大；为了定量描述定位格架对局部流场的影响范围，需要定义定位格架是否产生影响的判别标准，选取峰值的10％作为判别标准；当局部横流速度大于定位格架前或后峰值横流速度的10％时，认为该区域局部横流受定位格架影响，反之则不受影响，顺流速度与之类似；最终得到横流速度在定位格架前、横流速度在定位格架后、顺流速度在整个定位格架区域共计3个影响范围的大小；

确定了影响范围后，还需要确定定位格架对局部速度的影响程度；根据不同工况下的计算分析可知，定位格架对局部速度的影响与流动工况无关，且能够用影响范围内平均速度与流体来流速度的比值即影响因子进行量化；最终分别得到横流速度在定位格架前、横流速度在定位格架后、顺流速度在整个定位格架区域共计3个影响范围内的局部速度影响因子；

步骤5：代入整体计算进行修正：

将步骤4中计算得到的影响范围及影响因子代入堆芯流场三维整体计算程序中进行局部流场修正；首先根据影响范围的大小确定在整体流场计算中需要修正的几何坐标，进而将需要修正的范围内的网格进行标记；然后读取所标记网格中的来流速度，与相应影响因子相乘得到标记网格内局部横流速度与顺流速度的值，并通过计算流体动力学方法中的用户自定义变量进行计算与存储，并根据用户需求进行输出；修正完毕后获得能够体现定位格架对局部流场影响的堆芯流场三维热工水力计算结果；将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度；当其结果正确且精度满足要求时，则局部流场修正成功。

至此，局部流场修正过程完成。

此外，需要声明：本发明提出的局部流场修正方法，适用于在反应堆堆芯流场的三维模拟中添加局部结构的影响。但本发明可以针对实际运行中的不同工况。本发明主要针对反应堆堆芯的热工水力计算工作。通过局部流场水力学分析以及影响范围、影响因子的计算和添加，能够适用于不同工况。由于影响范围和影响因子的添加具有灵活性，因此该方法同样适用于同类型设备的类似工况。

本发明中提出的局部流场修正方法克服了现有堆芯流场三维分析程序难以体现定位格架附近局部流场的缺陷，提高了数值计算所得到的结果的准确性。目前已有的堆芯流场三维分析程序，主要采用多孔介质模型进行简化，无法获得详细的局部参数分布。本发明通过局部流场水力学分析和在整体计算中添加影响因子的操作，能够对整体三维计算进行局部流场修正，完全克服已有的方法所引起的缺点。本发明介绍的局部流场修正方法具有原理简单、操作方便、计算结果精确度高、易于调控等优点。

和现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、克服了现有的三维分析程序的缺陷，提出了一种利用局部计算修正整体计算的修正模型；

2、能够简化对整体棒束/管束区域进行真实几何建模带来的巨大工作量；

3、模型独立，方法通用性强，可以适应于不同类型的流体力学计算分析程序；

4、模型建立周期短，计算资源消耗少且计算结果精度高，可用于各种类似设备三维热工水力计算。

本发明已通过实践证明，该方法能够成功修正反应堆堆芯流场整体计算中定位格架对局部流场带来的影响。本发明中提出的局部流场修正模型在进行堆芯流场三维热工水力计算时，完全能够克服已有处理方法的缺陷。

附图说明

图1为燃料组件棒束通道中的定位格架示意图。

图2为本发明局部流场修正方法流程图。

图3为带定位格架的棒束通道几何模型。

图4为棒束通道内截面横流/顺流速度沿轴向分布曲线，其中图4a为横流速度，图4b为顺流速度。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步详细描述：

如图2所示，本发明为一种在反应堆堆芯流场计算中考虑局部结构影响的修正方法，步骤如下：

步骤1：确定修正区域：

首先确定需要在堆芯流场三维热工水力特性整体计算中添加修正的局部区域；在堆芯流场三维分析程序中，只对结构复杂的棒束区域进行多孔介质简化，导致仅能对燃料组件整体热工水力参数分布进行研究，而对定位格架对局部流场带来的影响未加以考虑；而这些局部参数，主要是局部速度分布，在对燃堆芯流场进行安全性和经济性分析时，是非常重要的输入条件；因此，需要根据研究的对象以及后续研究的要求，确定需要进行修正的区域；在燃料组件棒束通道计算中，需要对定位格架附近局部流场进行修正，因此需要确定定位格架的几何形状、布置位置；图1所示即为燃料组件棒束通道中的定位格架示意图。

步骤2：计算区域几何模型建立：

根据已确定的修正区域，建立局部流场计算需要的精细几何模型；计算区域几何模型的建立应满足能够通过相应的水力学计算分析得出定位格架对局部流场的影响，因此需应用几何建模软件分别建立无定位格架棒束通道模型和有定位格架棒束通道几何模型，二者计算同一工况并将结果进行对比得出定位格架的影响；考虑到燃料组件内棒束数量较多，则根据对称性对几何模型进行简化，选取5×5棒束区域作为计算区域；图3所示即为带定位格架的棒束通道几何模型。

建立的计算区域几何模型应具体包括：流体入口面和流体出口面分别作为进出口边界条件，棒束壁面和定位格架壁面作为壁面边界条件。

步骤3：局部流场水力学分析：

将步骤2中建立的计算区域几何模型，即不包含定位格架和包含定位格架的两套棒束通道几何模型，分别代入质量守恒、动量守恒、能量守恒三个控制方程中，并采用稳态计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算；计算中所需的边界条件、物性参数设置均与燃料组件实际工况一致；计算主要能够获得速度场的三维分布；由于在后续进行的安全性和经济性分析中，最关注的是流体流速在沿棒束方向与垂直棒束方向上的分量，因此，定义横流速度和顺流速度，具体如下：

v_shun＝v_z

其中：

v_heng——横流速度；

v_x——x方向即垂直棒束方向速度分量；

v_y——y方向即垂直棒束且与x方向垂直的速度分量；

v_shun——顺流速度；

v_z——z方向即沿棒束的速度分量；

并求取在不同横截面上的加权平均值，得到横流速度和顺流速度沿轴向方向的分布；图4即为棒束通道定位格架区域横流/顺流速度沿轴向的分布曲线，其中图4a为横流速度，图4b为顺流速度。

步骤4：计算影响范围及影响因子：

根据步骤3中得到的横流速度和顺流速度沿轴向方向的分布，能够确定棒束通道定位格架对附近流场的影响范围和影响程度；由图4中图4a和图4b可以看出，在横流速度方面，无定位格架时横流速度恒定为零，由于定位格架导致的流体流通面积突变，在定位格架进口面和出口面将存在两个横流速度峰值；在顺流速度方面，无定位格架时顺流速度与设定的流体来流速度相同，由于流体流通面积的突变，在整个定位格架范围内顺流速度存在峰值；定位格架对局部流场的影响主要集中在格架本身附近，而在格架前后的棒束通道区域影响不大；为了定量描述定位格架对局部流场的影响范围，需要定义定位格架是否产生影响的判别标准，选取峰值的10％作为判别标准；当局部横流速度大于定位格架前或后峰值横流速度的10％时，认为该区域局部横流受定位格架影响，反之则不受影响，顺流速度与之类似；最终得到横流速度在定位格架前、横流速度在定位格架后、顺流速度在整个定位格架区域共计3个影响范围的大小。

确定了影响范围后，还需要确定定位格架对局部速度的影响程度；根据不同工况下的计算分析可知，定位格架对局部速度的影响与流动工况无关，且能够用影响范围内平均速度与流体来流速度的比值即影响因子进行量化；最终分别得到横流速度在定位格架前、横流速度在定位格架后、顺流速度在整个定位格架区域共计3个影响范围内的局部速度影响因子。

步骤5：代入整体计算进行修正：

将步骤4中计算得到的影响范围及影响因子代入堆芯流场三维整体计算程序中进行局部流场修正；首先根据影响范围的大小确定在整体流场计算中需要修正的几何坐标，进而将需要修正的范围内的网格进行标记；然后读取所标记网格中的来流速度，与相应影响因子相乘得到标记网格内局部横流速度与顺流速度的值，并通过计算流体动力学方法中的用户自定义变量进行计算与存储，并根据用户需求进行输出；修正完毕后获得能够体现定位格架对局部流场影响的堆芯流场三维热工水力计算结果；将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度；当其结果正确且精度满足要求时，则局部流场修正成功。

本发明方法主要包括几何模型的建立、局部流场水力学分析、影响范围及影响因子的计算、代入整体计算进行修正等。

针对大量不同工况下的添加定位格架修正的反应堆堆芯流场三维计算及验证结果表明，本发明具有可靠的计算精度及计算的经济性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，但不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种在反应堆堆芯流场计算中考虑局部结构影响的修正方法，其特征在于：修正方法步骤如下：

步骤1：确定修正区域：

首先确定需要在堆芯流场三维热工水力特性整体计算中添加修正的局部区域；在燃料组件棒束通道计算中，需要对定位格架附近局部流场进行修正，因此需要确定定位格架的几何形状、布置位置；

步骤2：计算区域几何模型建立：

根据已确定的修正区域，建立局部流场计算需要的精细几何模型；计算区域几何模型的建立应满足能够通过相应的水力学计算分析得出定位格架对局部流场的影响，因此需应用几何建模软件分别建立无定位格架棒束通道模型和有定位格架棒束通道几何模型，二者计算同一工况并将结果进行对比得出定位格架的影响；考虑到燃料组件内棒束数量较多，则根据对称性对几何模型进行简化，选取5×5棒束区域作为计算区域；

建立的计算区域几何模型具体包括：流体入口面和流体出口面分别作为进出口边界条件，棒束壁面和定位格架壁面作为壁面边界条件；

步骤3：局部流场水力学分析：

将步骤2中建立的计算区域几何模型，即不包含定位格架和包含定位格架的两套棒束通道几何模型，分别代入质量守恒、动量守恒、能量守恒三个控制方程中，并采用稳态计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算；计算中所需的边界条件、物性参数设置均与燃料组件实际工况一致；计算主要能够获得速度场的三维分布；将流体流速在沿棒束方向与垂直棒束方向上的分量分别定义为横流速度和顺流速度，具体如下：

v_shun＝v_z

其中：

v_heng——横流速度；

v_x——x方向即垂直棒束方向速度分量；

v_y——y方向即垂直棒束且与x方向垂直的速度分量；

v_shun——顺流速度；

v_z——z方向即沿棒束的速度分量；

并求取在不同横截面上的加权平均值，得到横流速度和顺流速度沿轴向方向的分布；

步骤4：计算影响范围及影响因子：

根据步骤3中得到的横流速度和顺流速度沿轴向方向的分布，能够确定棒束通道定位格架对附近流场的影响范围和影响程度；在横流速度方面，无定位格架时横流速度恒定为零，由于定位格架导致的流体流通面积突变，在定位格架进口面和出口面将存在两个横流速度峰值；在顺流速度方面，无定位格架时顺流速度与设定的流体来流速度相同，由于流体流通面积的突变，在整个定位格架范围内顺流速度存在峰值；定位格架对局部流场的影响主要集中在格架本身附近，而在格架前后的棒束通道区域影响不大；为了定量描述定位格架对局部流场的影响范围，需要定义定位格架是否产生影响的判别标准，选取峰值的10％作为判别标准；当局部横流速度大于定位格架前或后峰值横流速度的10％时，认为该区域局部横流受定位格架影响，反之则不受影响；当局部顺流速度大于定位格架前或后峰值顺流速度的10％时，认为该区域局部顺流受定位格架影响，反之则不受影响；最终得到横流速度在定位格架前、横流速度在定位格架后、顺流速度在整个定位格架区域共计3个影响范围的大小；

确定了影响范围后，还需要确定定位格架对局部速度的影响程度；根据不同工况下的计算分析可知，定位格架对局部速度的影响与流动工况无关，且能够用影响范围内平均速度与流体来流速度的比值即影响因子进行量化；最终分别得到横流速度在定位格架前、横流速度在定位格架后、顺流速度在整个定位格架区域共计3个影响范围内的局部速度影响因子；

步骤5：代入整体计算进行修正：

将步骤4中计算得到的影响范围及影响因子代入堆芯流场三维整体计算程序中进行局部流场修正；首先根据影响范围的大小确定在整体流场计算中需要修正的几何坐标，进而将需要修正的范围内的网格进行标记；然后读取所标记网格中的来流速度，与相应影响因子相乘得到标记网格内局部横流速度与顺流速度的值，并通过计算流体动力学方法中的用户自定义变量进行计算与存储，并根据用户需求进行输出；修正完毕后获得能够体现定位格架对局部流场影响的堆芯流场三维热工水力计算结果；将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度；当其结果正确且精度满足要求时，则局部流场修正成功。

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