CN110633520A - 一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法，包括以下步骤：使用Solidworks根据钠冷快堆堆芯出口的实际结构进行几何建模，并进行流体域和固体域剖分；在计算流体力学软件的网格划分功能对流体域进行网格划分，对流体计算域进行液态金属钠的物理性质以及边界条件设置，采用高精度的大涡模拟方法进行瞬态流场计算；在有限元分析软件中对固体域进行条件设置以及网格划分；利用多物理场耦合平台MpCCI将通过计算流体力学软件得到的流场参数传递给有限元分析软件，在有限元分析软件中进行固体结构力学的计算；最终通过流场以及固体结构力学分析，对钠冷快堆堆芯出口的流动冲击影响进行评估。

Description

一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法

技术领域

本发明属于钠冷快堆堆芯冷却剂技术领域，具体涉及到一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法。

背景技术

随着我国经济的快速增长，能源的需求量越来越大，核能因其清洁高效的特点，得到大力发展。由于核电技术的不断发展和反应堆运行经验的不断积累，国际核工程界提出了发展第四代核电系统的主张。第四代反应堆的标准主要包括：①经济上有竞争性；②固有的安全性；③尽量减少核废物的产生；④能够防止核扩散；⑤社会效益良好。2002年，第四代核能科技论坛根据第四代核能系统的发展目标，选定钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆、超临界水堆、超高温气冷堆和熔盐堆六种最具发展潜力的堆型组成第四代反应堆系统。而钠冷快堆因其在固有安全性以及可增殖核燃料、嬗变长寿命放射性废物等方面的优势，是第四代先进反应堆中研发进展较快的堆型之一。

钠冷快堆以液态钠作为冷却，由快中子引起裂并维持链式反应，根据堆型布置可分为回路式和池式，基于安全性的考虑，近年来快堆的布置方式逐渐向池式转变。所谓池式即反应堆的大部分设备都放置于作为冷却剂的液态钠池中。钠冷快堆堆芯组件采用盒式设计，是典型的闭式燃料组件，快堆组件出口区域包含组件头、导流管、蜂窝式定位格架、测量探针及控制棒导向管等复杂结构，不同燃料组件出口冷却剂温度相差几十甚至上百摄氏度。钠冷快堆池式的布置方式，再加上堆芯组件出口的复杂结构，使得液态金属钠会以冲击射流形式流入热钠池，导致出口区域流动状态极其复杂，出现温度剧烈波动现象。同时冷却剂温度波动会导致固体区域温度波动，在固体结构内产生交变热应力，长时间可能导致结构热疲劳失效，对堆芯结构的完整性造成破坏，降低反应堆寿命。

故而，钠冷快堆堆芯出口流动现象是国际上快堆的研究热点，随着计算流体动力学的发展，国内外在钠冷快堆三维数值模拟、冲击射流及瞬态运行工况下的跨维度耦合等方面都有一定的进展和成果。但在以往的研究中，数值模拟方法主要采用的雷诺时均模型，所以得到的计算结果为时均化的热工水力参数，无法捕捉堆芯出口局部区域冲击射流过程中真实的热工水力参数脉动状态，除此之外，由于液态金属钠的普朗特数远远小于液态水的普朗特数，传统的湍流模型中雷诺数相思假设用于液态金属钠的计算模拟误差较大，故而，本发明将采用高精度的大涡模拟方法对液态金属钠的冲击射流流动进行计算研究，从而获得冲击射流过程中准确的三维流动及搅混现象内存在的各向异性的湍流脉动及温度振荡特性。

除此之外，由于快堆在运行过程中堆芯出口不同温度的液态金属钠以射流搅混形式冲击到该区域结构表面，流动冲击及温度剧烈波动给结构材料带来严重的热疲劳危害，需要基于计算流体力学与结构力学程序的流、热、固耦合技术，实现对快堆堆芯出口区域结构安全性的准确评估。

本发明将说明一种通过大涡模拟获得堆芯出口液态金属钠的冲击流动的脉动参数，如温度振荡幅值、频率、湍流脉动速度、不同尺度涡街等，将参数作为载荷施加到固体上，基于有限元分析软件建立快堆堆芯出口复杂结构固体域计算模型，对出口区域的固体结构进行三维热力耦合求解，进而对钠冷快堆堆芯出口流动冲击进行评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法，该方法能够对钠冷快堆堆芯出口的冲击射流从精确的湍流参数以及对对固体结构的作用两方面，实现对钠冷快堆堆芯出口温度震荡引发热疲劳安全性的精确评估。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法，包括以下步骤：

步骤1：参照钠冷快堆堆芯出口的实际结构利用CAD软件Solidworks建立钠冷快堆堆芯出口的几何模型，并将流体域和固体域拆分，得到流体域模型和固体域模型；

步骤2：将步骤1中得到的流体域模型导入计算流体力学软件中，利用其前处理中的的网格划分功能，对流体域模型进行网格划分，建立网格模型，该流体域网格模型即为需要求解的流体计算域；

步骤3：将步骤2中得到的流体计算域网格模型导入计算流体力学软件中，对流体计算域进行计算案例的条件设置，首先进行流体物理性质和计算边界条件的设置，具体步骤如下：

步骤3-1：将流体计算域网格模型导入计算流体力学软件的稳态求解器中，并将钠冷快堆堆芯出口设置为流体计算域入口，距离堆芯出口550mm的截面设置为流体计算域的出口；

步骤3-2：设定步骤2中所得到的流体计算域内的流体为液态金属钠，由于计算流体力学软件中自带的材料库没有液态金属钠的参数，需要在材料库中自定义新的材料；

步骤3-3：在步骤2中的得到的流体计算域中进行进边界条件的设置，具体地，入口边界设置为速度边界条件，出口边界设置为压力出口；

步骤4：在步骤3在的基础上，在计算流体力学软件的瞬态求解器中对钠冷快堆的堆芯出口的流体域流场计算进行预设置，具体步骤如下：

步骤4-1：在瞬态求解器中加入能量守恒方程，具体的能量守恒方程形式如下：

式中：

i——坐标轴编号；

h——焓值，J/kg；

ρ——液态金属钠的密度，kg/m³；

u_i——在编号为i的坐标轴方向上的速度矢量，m/s；

p——液态金属钠的压强，pa；

λ——分子传导率，W/(m·K)；

λ_i——由于湍流传递而引起的在编号为i的坐标轴方向上的传导率,W/(m·K)；

T——液态金属钠的温度，K；

S_h——定义的体积源项,W/m³；

x_i——编号为i的坐标轴；

t——流动时间，s；

步骤4-2：在瞬态求解器中勾选大涡模拟模型，在计算流体力学软件中对求解流体计算域所需要进行的预设置已基本设置完毕，设置完毕保存算例；

步骤5：将步骤1中得到的固体域模型导入有限元分析软件中，对固体域模型进行条件设置，步骤如下：

步骤5-1：将步骤1通过Solidworks得到的固体域模型导入有限元分析软件中，首先对固体域模型进行材料设置，包括热物性及形变特性；

步骤5-2：在有限元分析软件中根据钠冷快堆堆芯出口的具体结构设置固体计算域的载荷以及边界条件；

步骤5-3：利用有限元分析软件中的网格划分功能，对固体域模型进行网格划分，建立固体计算域网格模型，该网格模型即为需要求解的固体计算域；

步骤5-4：基本条件设置完毕后提交分析作业并进行保存；

步骤6：多物理场耦合平台MpCCI是基于区域重叠与局部耦合的思想，可实现将计算流体力学软件和有限元分析软件的耦合，实现堆芯出口区域流体域和固体域边界上各参数高频数据传递与转换，将计算流体动力学软件中通过大涡模拟计算获得的高精度热工水力参数分布传递给有限元分析软件，具体步骤如下：

步骤6-1：打开MpCCI耦合平台，选择需要进行耦合的流体力学软件和有限元分析软件，并选择打开步骤4中保存的算例和步骤5中保存的分析作业；

步骤6-2：设置参数传递。选择将计算流体动力学软件中热工水力参数分布传递给有限元分析软件；

步骤6-3：在MpCCI平台下，计算流体力学软件和有限元分析软件同时进行计算并进行数据传递；计算流体力学软件计算得到堆芯出口的流体计算域的流场信息，有限元分析软件计算得到钠冷快堆堆芯出口流动冲击对固体区域的冲击影响，得到固体域结构受到冲击后的变形量，将固体域结构的变形量与固体域结构材料的强度极限进行比较；

步骤7：通过分析步骤6中计算流体力学软件得到的堆芯出口的流体计算域流场和有限元分析软件中计算得到的固体域的结构变形量，若步骤6中得到的结构变形量超过堆芯出口固体域结构材料的强度极限即意味着对钠冷快堆堆芯出口流动冲击对堆芯出口局部固体域结构的安全性具有重要的影响。

和现有技术相比，本发明具备如下优点：

1.本发明采用精度高的大涡模拟对液态金属钠的冲击射流流动进行计算研究，可以获得以往采用雷诺时均模型无法捕捉的堆芯出口局部区域冲击射流过程中真实的热工水力参数脉动状态，降低了数值模拟的计算误差；

2.本发明基于多物理场耦合平台Mpcci进行计算流体力学软件与有限元分许软件的流、热、固耦合，从流体力学与结构力学两个角度对堆芯出口的流动冲击以及流动冲击和温度剧烈波动给固体结构造成的热疲劳危害进行分析，实现对快堆堆芯出口区域结构安全性的准确评估。

附图说明

图1为池式钠冷快堆堆芯出口结构示意图。

图2为池式钠冷快堆堆芯出口几何模型。

图3为本发明流程图。

具体实施方式

以下结合图3所示流程图，对本发明作进一步的详细描述。另外，本例利用计算流体力学软件Fluent与Abaqus基于MpCCI多物理场耦合平台进行相关步骤的实施。

本发明的目的在于提供一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法，该方法能够对钠冷快堆堆芯出口的冲击射流从精确的湍流参数以及对对固体结构的作用两方面，实现对钠冷快堆堆芯出口温度震荡引发热疲劳安全性的精确评估，为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤1：参照钠冷快堆堆芯出口的实际结构利用CAD软件Solidworks建立钠冷快堆堆芯出口的几何模型，在Solidworks中将流体域和固体域剖分，得到流体域模型和固体域模型，图1为钠冷快堆的结构示意图。由于本发明主要研究的是堆芯出口区域冷却剂的流动冲击以及对固体结构的热冲击问题，因此模拟的流场范围是燃料组件出口到中心测量柱之间的范围，在该区域的固体结构包括控制棒导向管，组件头部上部布置有热电偶，还有热电偶支架和热电偶导管；

步骤2：将步骤1中得到的流体域模型导入计算流体力学软件Fluent的前处理器Icem cfd中，利用其前处理器的的网格划分功能，对流体域模型进行网格划分，建立网格模型，该网格模型即为需要求解的流体计算域。

步骤3：将步骤2中得到的流体计算域的网格网格模型导入计算流体力学软件Fluent中，在Fluent中对流体计算域进行计算案例的条件设置，首先对流体域网格模型进行流体物理性质和计算边界条件的设置，具体步骤如下：

步骤3-1：将流体计算域网格模型导入计算流体软件Fluent的瞬态求解器中，并将钠冷快堆堆芯出口设置为流体计算域入口，距离堆芯出口550mm的截面设置为流体计算域的出口，如图2所示；

步骤3-2：设定步骤2中所得到的流体计算域内的流体为液态金属钠，由于计算流体力学软件Fluent中自带的材料库没有液态金属钠的参数，需要在材料中自定义液态金属钠的材料属性；

步骤3-3：在步骤2中的得到的流体计算域中进边界条件的设置，具体地，入口边界设置为速度边界条件，出口边界设置为压力出口；

步骤4：在步骤3在的基础上，在计算流体力学软件Fluent的瞬态求解器中对钠冷快堆的堆芯出口的流体域流场计算进行预设置，具体步骤如下：

步骤4-1：在求解器中加入能量守恒方程，具体的能量守恒方程形式如下：

式中：

i——坐标轴编号；

h——焓值，J/kg；

ρ——液态金属钠的密度，kg/m³；

u_i——在编号为i的坐标轴方向上的速度矢量，m/s；

p——液态金属钠的压强，pa；

λ——分子传导率，W/(m·K)；

λ_i——由于湍流传递而引起的在编号为i的坐标轴方向上的传导率,W/(m·K)；

T——液态金属钠的温度，K；

S_h——定义的体积源项,W/m³；

x_i——编号为i的坐标轴；

t——流动时间，s；

步骤4-2：在求解器中勾选大涡模拟模型，至此，在计算流体力学软件中对求解流体计算域所需要进行的预设置已基本设置完毕，设置完毕保存算例；

步骤5：将步骤1中得到的固体域模型导入有限元分析软件Abaqus中，对固体域模型进行条件设置，步骤如下：

步骤5-1：将步骤1通过Solidworks得到的固体域模型导入有限元分析软件Abaqus中，首先对固体域模型进行材料设置，包括热物性及形变特性；

步骤5-2：在有限元分析软件Abaqus中根据钠冷快堆堆芯出口的具体结构设置固体计算域的载荷以及边界条件；

步骤5-3：利用有限元分析软件Abaqus中的网格划分功能，对固体域模型进行网格划分，建立固体域网格模型，该网格模型即为需要求解的固体计算域；

步骤5-4：提交分析作业并保存。

步骤6：多物理场耦合平台MpCCI是基于区域重叠与局部耦合的思想，可实现将计算流体力学软件Fluent和有限元分析软件Abaqus的耦合，实现堆芯出口区域流体域和固体域边界上各参数高频数据传递与转换，将计算流体动力学软件中通过大涡模拟计算获得的高精度热工水力参数分布传递给有限元分析软件，具体步骤如下：

步骤6-1：打开MpCCI耦合平台，选择需要进行耦合的流体力学软件Fluent和有限元分析软件Abaqus，并选择打开步骤4中保存的算例和步骤5中保存的分析作业；

步骤6-2：设置参数传递。选择将计算流体动力学软件中热工水力参数传递给有限元分析软件；

步骤6-3：在MpCCI平台下，计算流体力学软件Fluent和有限元分析软件Abaqus开始进行计算并同时进行数据传递。计算流体力学软件计算得到流体计算域的流场信息，有限元分析软件计算得到钠冷快堆堆芯出口流动冲击对固体区域的冲击影响，得到固体域结构受到冲击后的变形量，将固体域结构的变形量与固体域结构材料的强度极限进行比较；

步骤7：通过分析步骤6中计算流体力学软件得到的堆芯出口的流体域流场和有限元分析软件中计算得到的固体域的结构变形量，若步骤6中得到的结构变形量超过堆芯出口固体结构材料的强度极限即意味着对钠冷快堆堆芯出口流动冲击对堆芯出口局部固体结构的安全性具有重要的影响。

Claims (1)

1.一种钠冷快堆堆芯出口流动冲击的评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：参照钠冷快堆堆芯出口的实际结构利用CAD软件Solidworks建立钠冷快堆堆芯出口的几何模型，并将流体域和固体域拆分，得到流体域模型和固体域模型；

步骤2：将步骤1中得到的流体域模型导入计算流体力学软件中，利用其前处理中的的网格划分功能，对流体域模型进行网格划分，建立流体计算域网格模型，该网格模型即为需要求解的流体计算域；

步骤3：将步骤2中得到的流体计算域网格模型导入计算流体力学软件中，对流体计算域进行计算案例的条件设置，首先进行流体物理性质和计算边界条件的设置，具体步骤如下：

步骤3-1：将流体计算域网格模型导入计算流体力学软件的瞬态求解器中，并将钠冷快堆堆芯出口设置为流体计算域入口，距离堆芯出口550mm的截面设置为流体计算域的出口；

步骤3-2：设定步骤2中所得到的流体计算域内的流体为液态金属钠，由于计算流体力学软件中自带的材料库没有液态金属钠的参数，需要在材料库中自定义新的材料；

步骤3-3：在步骤2中的得到的流体计算域中进行进边界条件的设置，具体地，入口边界设置为速度边界条件，出口边界设置为压力出口；

步骤4：在步骤3的基础上，在计算流体力学软件的瞬态求解器中对钠冷快堆的堆芯出口的流体域流场计算进行预设置，具体步骤如下：

步骤4-1：在瞬态求解器中加入能量守恒方程，具体的能量守恒方程形式如下：

式中：

i——坐标轴编号；

h——焓值，J/kg；

ρ——液态金属钠的密度，kg/m³；

u_i——在编号为i的坐标轴方向上的速度矢量，m/s；

p——液态金属钠的压强，pa；

λ——分子传导率，W/(m·K)；

λ_i——由于湍流传递而引起的在编号为i的坐标轴方向上的传导率,W/(m·K)；

T——液态金属钠的温度，K；

S_h——定义的体积源项,W/m³；

x_i——编号为i的坐标轴；

t——流动时间，s；

步骤4-2：在瞬态求解器中勾选大涡模拟模型，到此在计算流体力学软件中对求解流体计算域所需要进行的预设置已设置完毕，设置完毕保存算例；

步骤5：将步骤1中得到的固体域模型导入有限元分析软件中，对固体域模型进行条件设置，步骤如下：

步骤5-1：将步骤1通过Solidworks得到的固体域模型导入有限元分析软件中，首先对固体域模型进行材料设置，包括热物性及形变特性；

步骤5-2：在有限元分析软件中根据钠冷快堆堆芯出口的具体结构设置固体计算域的载荷以及边界条件；

步骤5-3：利用有限元分析软件中的网格划分功能，对固体域模型进行网格划分，建立固体计算域网格模型，该网格模型即为需要求解的固体计算域；

步骤5-4：基本条件设置完毕后提交分析作业；

步骤6：步骤6-1：打开MpCCI耦合平台，选择需要进行耦合的流体力学软件和有限元分析软件，并选择打开步骤4中保存的算例和步骤5中保存的分析作业；

步骤6-2：设置参数传递：选择将计算流体动力学软件中热工水力参数分布传递给有限元分析软件；

步骤6-3：在MpCCI平台下，计算流体力学软件和有限元分析软件同时进行计算并进行数据传递；计算流体力学软件计算得到堆芯出口的流体计算域的流场信息，有限元分析软件计算得到钠冷快堆堆芯出口流动冲击对固体区域的冲击影响，得到固体域的结构受到冲击后的变形量，将固体域的结构的变形量与固体域的结构材料的强度极限进行对比；

步骤7：通过分析步骤6中计算流体力学软件得到的堆芯出口的流体计算域流场和有限元分析软件中计算得到的固体域的结构变形量，若步骤6中得到的结构变形量超过堆芯出口固体域的域结构材料的强度极限即意味着对钠冷快堆堆芯出口流动冲击对堆芯出口局部固体的结构的安全性具有重要的影响。

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