CN110826178B - 一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速cfd计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核技术领域，公开了一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，包含如下步骤：步骤(1)建立堆芯组件流域关注区域的CFD精细流场数据库；步骤(2)确定拟计算反应堆堆芯组件流域的边界条件；步骤(3)在CFD精细流场数据库中，筛选具有相同计算域，且具有相同或相近边界条件的精细流场数据；步骤(4)建立即将开展计算的初始精细数据基础；步骤(5)使用拟计算边界条件，控制计算过程中流场中流速的更新频次，或控制计算过程中流场中流速相关的松弛因子；步骤(6)分析CFD精细流场数据库是否需要所计算边界条件对应的精细化计算结果。本发明减少了CFD计算迭代收敛的次数，减少CFD计算的时间，提高了迭代收敛效率。

Description

一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算 方法

技术领域

本发明属于核技术领域，尤其涉及一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法。

背景技术

核反应堆，又称为原子能反应堆或反应堆，是能维持可控自持链式核裂变反应，以实现核能利用的装置。核反应堆通过合理布置核燃料，使得在无需补加中子源的条件下能在其中发生自持链式核裂变过程。严格来说，反应堆这一术语应覆盖裂变堆、聚变堆、裂变聚变混合堆，但一般情况下仅指裂变堆。

曼哈顿计划期间，人类第一台核反应堆由著名美籍意大利物理学家恩利克费米领导的小组于1942年12月在美国芝加哥大学建成，命名为芝加哥一号堆；该反应堆是采用铀裂变链式反应，开启了人类原子能时代，芝加哥大学也因此成为人类“原子能诞生地”。

反应堆安全，包括反应堆安全基本原则、安全功能，设计基准事故分析，严重事故对策，概率安全评价等内容。反应堆安全目标在于减少导致反射性向核电厂外泄漏事故的概率，并在万一发生此种事故时限制放射性危害的扩展。为达到这一目标，核电厂采取“纵深防御，多层屏障”的安全原则。纵深防御一般包括五个层次：(1)高质量的设计、施工和运行；(2)停堆保护及余热排出系统；(3)专设安全设施；(4)事故处置和特殊设施；(5)厂外应急计划和措施。

为防止放射性物质的释放，压水堆核电厂普遍采用了多层实体屏障。这些屏障主要包括燃料元件包壳、反应堆冷却剂系统承压边界核安全壳。另外，燃料芯块、反应堆冷却剂、安全壳内空气间及厂外防护距离也可以视为缓解放射性危害的屏障。“纵深防御，多层屏障”是压水堆核电厂安全的基本设计思想，纵深防御原则主要通过多层屏障来实施，多层屏障通过纵深防御设防来保护，两者相辅相成，构成反应堆安全的基本原则。

核动力的安全性与经济性受核反应堆堆芯组件流域热工水力状态预测技术水平的影响。精细化堆芯热工水力计算流体动力学CFD程序的计算能够在精细空间尺度上模拟预测堆芯的释热、传热与流动。这种仿真有利于缩小安全裕量，支持电站功率的提升及燃料周期的延长，保证核动力的安全性与经济性。

然而堆芯组件流域精细化热工水力CFD计算分析的仿真网格数量巨大，计算资源占用量大，计算时间长。为促进堆芯组件流域热工水力CFD计算分析的工程化应用，有必要开发降低堆芯组件流域CFD计算所需资源与时间的计算方法。

发明内容

本发明的目的在于公开收敛快、计算速度快的一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，包含如下步骤：

步骤(1)：建立堆芯组件流域关注区域的CFD精细流场数据库：

以计算域范围及各工况的边界条件作为检索标识用于数据的查找与提取，建立堆芯组件流域关注区域的CFD精细流场数据库，并使CFD精细流场数据库包括各CFD网格的热工水力重要参量值；

步骤(2)：确定拟计算反应堆堆芯组件流域的边界条件：

将拟计算反应堆堆芯组件流域的流动与传热边界条件按优先级进行分类，流动与传热边界条件包括速度边界条件、压力边界条件和温度边界条件，使速度边界条件的优先级高于压力边界条件的优先级，压力边界条件的优先级高于温度边界条件的优先级；

步骤(3)：根据计算域及边界条件，在CFD精细流场数据库中，从优先级最高的流动与传热边界条件到优先级最低的流动与传热边界条件，筛选具有相同计算域，且具有相同或相近边界条件的精细流场数据；

步骤(4)：对CFD精细流场数据库中所选择的计算区域的计算数据进行重构，建立即将开展计算的初始精细数据基础：

根据不同边界条件下流场数据间存在的量化规律与机理，依据即将开展计算所采用的计算区域边界条件，与从CFD精细流场数据库中筛选精细流场计算域的边界条件，对从CFD精细流场数据库中所筛选出的精细流场数据进行重构，得到新的精细流场数据即初始精细数据基础。

步骤(5)：针对初始精细数据基础，使用拟计算边界条件，控制计算过程中流场中流速的更新频次，或控制计算过程中流场中流速相关的松弛因子：

根据不同工况精细流场数据量化关系的准确程度，当量化关系准确或可信时，可停止计算过程中的流速更新；对于其它情况，需要在开始计算后的部分计算过程或全部过程中，减少流速更新的频次，或减小迭代计算中流速相关的松弛因子。

步骤(6)：完成计算后，分析CFD精细流场数据库是否需要所计算边界条件对应的精细化计算结果，若需要，则将计算结果补充到CFD精细流场数据库中：

在完成反应堆堆芯区域的CFD计算后，若所计算区域的边界条件对研究重要；或若CFD精细流场数据库缺少所计算区域的边界条件，且该边界条件符合CFD精细流场数据库中边界条件的保存原则，则将所完成CFD计算的精细流场数据结果补充到CFD精细流场数据库当中。

本发明的有益效果为：

本发明通过对已有CFD精细流场数据的重构实现CFD精细计算的初始化，减少CFD计算迭代收敛的次数，减少CFD计算的时间；本发明还在CFD计算中通过调控流速参量更新的频次与松弛因子，提高了迭代收敛效率。

附图说明

图1是一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法具体实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，包含如下步骤：

(1)建立堆芯组件流域关注区域的CFD精细流场数据库；

(2)确定拟计算反应堆堆芯组件流域的边界条件；

(3)根据计算域及边界条件，在CFD精细流场数据库中，筛选具有相同计算域，且具有相同或相近边界条件的精细流场数据；

(4)对CFD精细流场数据库中所选择的计算区域的计算数据进行重构，建立即将开展计算的初始精细数据基础；

(5)针对初始精细数据基础，使用拟计算边界条件，控制计算过程中流场中流速的更新频次，或控制计算过程中流场中流速相关的松弛因子；

(6)完成计算后，分析CFD精细流场数据库是否需要所计算边界条件对应的精细化计算结果，若需要，则将计算结果补充到CFD精细流场数据库中。

本发明还可以包括：

1.所述建立堆芯组件流域关注区域的CFD精细流场数据库具体包括：

1)建立数据库时，以计算域范围及各工况的边界条件作为检索标识，用于数据的查找与提取。

2)数据库要包括各CFD网格的空间坐标、速度参量值、温度参量值、压力参量值、湍流参量值等热工水力重要参量值。

2.所述确定拟计算反应堆堆芯组件流域的边界条件具体包括：

将拟计算反应堆堆芯区域的流动与传热边界条件按优先级进行分类，包括速度边界条件、压力边界条件、温度边界条件等，其中：速度边界条件的优先级高于压力边界条件的优先级，压力边界条件的优先级高于温度边界条件的优先级。

3.所述根据计算域及边界条件，在CFD精细流场数据库中，筛选具有相同计算域，且具有相同或相近边界条件的精细流场数据具体包括：

根据流动与传热边界条件的优先级，从第一优先级别，到最后的优先级别，先后在CFD计算结果的精细流场数据库中筛选最为接近的精细流场数据。

4.所述对CFD精细流场数据库中所选择的计算区域的计算数据进行重构，建立即将开展计算的初始精细数据基础具体包括：

根据不同边界条件下流场数据间存在的量化规律与机理，依据即将开展计算所采用的计算区域边界条件，与从CFD精细流场数据库中所筛选精细流场计算域的边界条件，对从CFD精细流场数据库中所筛选出的精细流场数据进行重构，包括各网格的速度、压力、温度等参量的重构，得到新的精细流场数据即是拟开展计算的精细流场初始化数据。

5.所述针对初始精细数据基础，使用拟计算边界条件，控制计算过程中流场中流速的更新频次，或控制计算过程中流场中流速相关的松弛因子具体包括：

根据不同工况精细流场数据量化关系的准确程度，当量化关系准确或可信时，可以停止计算过程中的流速更新；对于其它情况，需要在开始计算后的部分计算过程或全部过程中，减少流速更新的频次，或减小迭代计算中流速相关的松弛因子。

6.所述完成计算后，分析CFD精细流场数据库是否需要所计算边界条件对应的精细化计算结果，若需要，则将计算结果补充到CFD精细流场数据库中具体包括：

在完成反应堆堆芯区域的CFD计算后，若所计算区域的边界条件对研究重要；或若CFD精细流场数据库缺少所计算区域的边界条件，且该边界条件符合CFD精细流场数据库中边界条件的保存原则，则将所完成CFD计算的精细流场数据结果补充到CFD精细流场数据库当中。

下面给出的本发明的具体的实施例：

如图1，本实施例包含如下步骤：

步骤1：确定拟计算反应堆堆芯组件流域及流域的边界条件；

步骤2：根据拟计算流域，在CFD精细流场数据库中，筛选具有相同计算流域的精细流场数据A(A可包括多组精细化数据)；

步骤3：根据拟计算流域的速度边界条件，在CFD精细流场数据库中所筛选的精细流场数据A中，继续筛选具有相同或相近速度边界条件的精细流场数据B(B可包括多组精细化数据)；

步骤4：根据拟计算流域的压力边界条件，在CFD精细流场数据库中所筛选的精细流场数据B中，继续筛选具有相同或相近压力边界条件的精细流场数据C(C可包括多组精细化数据)；

步骤5：根据拟计算流域的温度边界条件，在CFD精细流场数据库中所筛选的精细流场数据C中，继续筛选具有相同或最为相近温度边界条件的一组精细流场数据D；

步骤6：根据不同边界条件下流场数据间存在的量化规律与机理，依据即将开展计算所采用的计算区域边界条件，与从CFD精细流场数据库中所筛选精细流场计算域的边界条件，对从CFD精细流场数据库中所筛选出的精细流场中各网格的速度V、压力P、温度T等参量进行重构，得到与拟计算边界条件相对应的精细流场各网格的初始化速度Vf(X,Y,Z,V)、压力Pf(X,Y,Z,P)、温度Tf(X,Y,Z,T)等。式中Vf、Pf、Tf分别为对速度、压力、温度的数据重构函数或其它任何能够进行重构的形式；X、Y、Z分别代表三维不同方向的坐标。本说明书虽然针对速度、压力、温度参量为对象进行说明，但对于各网格其它任何参量VAR，依然可以进行重构，得到与拟计算边界条件相对应的精细流场各网格初始化参量VARf(X,Y,Z,VAR)。

步骤7：判断拟计算边界条件下所使用的精细流场数据重构方案的准确程性。

步骤8：当拟计算边界条件下精细流场数据量化方案准确可信时，停止CFD迭代计算过程中的流速更新；

步骤9：当拟计算边界条件下精细流场数据量化方案只是近似方案，不完全准确时，需要在开始CFD迭代计算后的部分计算过程或全部过程中，减少流速更新的频次，或减小迭代计算中流速相关的松弛因子，控制精细流场速度的更新速率，防止流速畸变。

步骤10：完成堆芯组件流域CFD计算。

步骤11：判断CFD精细流场数据库是否需要所计算边界条件对应的精细化计算结果。

步骤12：若CFD精细流场数据库需要所计算边界条件对应的精细化计算结果，则将计算结果补充到CFD精细流场数据库中。

本发明的特点主要体现在：

1、通过对已有CFD精细流场数据的重构实现CFD精细计算的初始化

堆芯组件细小、繁多、复杂的几何结构导致其所在流域CFD计算网格尺寸小，网格尺寸在毫米到微米之间，进而导致单位体积流域的CFD网格数量多。CFD计算求解中的数值迭代次数随网格数目的增多而显著增多，但当CFD计算的初始化流场数值与流场计算终值接近时，迭代计算的时间会显著缩短。本发明正是基于该原理，进行的发明设计。

传统的计算中，流场初始化往往对整个流域中的所有网格同一参量赋以相同的初始值或并不基于物理过程的简单赋值，与真实物理过程差距大，势必需要经过一段迭代计算才能逐步达到计算收敛。

本发明基于不同工况条件下流场参量的分布规律，对已存在的精细数据进行重构，得到与最终计算结果接近的初始化精细流场数据，将会减少CFD计算迭代收敛的次数，减少CFD计算的时间。

2、在CFD计算中通过调控流速参量更新的频次与松弛因子提高迭代收敛效率

对于具有简单几何的管道流、槽道流等，流场速度与压力分布形式简单，CFD计算迭代容易收敛。但堆芯组件流域结构复杂，流场参量的三维分布复杂，速度与压力存在复杂的三维梯度变化，CFD计算迭代不易收敛。即使精细化速度分布已经正确，若压力分布等在局部区域存在误差，也会由于迭代过程修改已经适当的速度场，导致速度数据引入大误差，破坏高质量流场初始化的作用。

本发明在流场重构的量化关系准确性有保证时，会停止计算过程中的流速更新，防止由于压力等参量的误差扩散到流场速度分布中；而对于其它情况，会在开始计算后的部分计算过程或全部过程中，减少流速更新的频次，或在数值更新中减小流速相关的松弛因子，控制流速相关参量的变化速度，防止流速等参量在迭代过程中的畸变。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：建立堆芯组件流域关注区域的CFD精细流场数据库；

步骤(2)：确定拟计算反应堆堆芯组件流域的边界条件；

步骤(3)：根据计算域及边界条件，在CFD精细流场数据库中，从优先级最高的流动与传热边界条件到优先级最低的流动与传热边界条件，筛选具有相同计算域，且具有相同或相近边界条件的精细流场数据；

步骤(4)：对CFD精细流场数据库中所选择的计算区域的计算数据进行重构，建立即将开展计算的初始精细数据基础；

步骤(5)：针对初始精细数据基础，使用拟计算边界条件，控制计算过程中流场中流速的更新频次，或控制计算过程中流场中流速相关的松弛因子；

步骤(6)：完成计算后，分析CFD精细流场数据库是否需要所计算边界条件对应的精细化计算结果，若需要，则将计算结果补充到CFD精细流场数据库中。

2.根据权利要求1所述的一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体为：

以计算域范围及各工况的边界条件作为检索标识用于数据的查找与提取，建立堆芯组件流域关注区域的CFD精细流场数据库，并使CFD精细流场数据库包括各CFD网格的热工水力重要参量值。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，其特征在于：所述的步骤(2)具体为：

将拟计算反应堆堆芯组件流域的流动与传热边界条件按优先级进行分类，流动与传热边界条件包括速度边界条件、压力边界条件和温度边界条件，使速度边界条件的优先级高于压力边界条件的优先级，压力边界条件的优先级高于温度边界条件的优先级。

4.根据权利要求3所述的一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，其特征在于：所述的步骤(4)具体为：

根据不同边界条件下流场数据间存在的量化规律与机理，依据即将开展计算所采用的计算区域边界条件，与从CFD精细流场数据库中筛选精细流场计算域的边界条件，对从CFD精细流场数据库中所筛选出的精细流场数据进行重构，得到新的精细流场数据即初始精细数据基础。

5.根据权利要求4所述的一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，其特征在于：所述的步骤(5)具体为：

根据不同工况精细流场数据量化关系的准确程度，当量化关系准确或可信时，可停止计算过程中的流速更新；对于其它情况，需要在开始计算后的部分计算过程或全部过程中，减少流速更新的频次，或减小迭代计算中流速相关的松弛因子。

6.根据权利要求5所述的一种基于精细流场重构的反应堆堆芯组件流域快速CFD计算方法，其特征在于：所述的步骤(6)具体为：

在完成反应堆堆芯区域的CFD计算后，若所计算区域的边界条件对研究重要；或若CFD精细流场数据库缺少所计算区域的边界条件，且该边界条件符合CFD精细流场数据库中边界条件的保存原则，则将所完成CFD计算的精细流场数据结果补充到CFD精细流场数据库当中。

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