CN111027112B - 一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法，包括以下步骤：建立包含组件盒内与盒间的堆芯几何模型，建模时采用六棱柱表示组件盒内；针对堆芯几何模型下端面建立平面拓扑结构，生成全四边形的面网格，其中组件盒内近壁面区域应生成边界层网格；轴向拉伸面网格，形成三维结构化网格模型。将三维网格模型导入CFD求解器，计算盒内网格控制体中心点距壁面的距离，进而判定控制体的属性(纯流体或多孔介质域)。基于棒束结构特征引入分布阻力模型和传质传热模型，并修正纯流体域与多孔介质域相界面处的动量输运。本发明能实现快堆棒束组件的流动传热现象的快速模拟，准确预测组件盒内与盒间的温度分布与传热，有益于全堆芯模拟。

Description

一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法

技术领域

本发明涉及快中子反应堆堆芯热工水力设计领域，特别涉及计算快堆堆芯尺度的模拟方法。

背景技术

不同于通常运行的压水堆，快堆通过快中子俘获将可裂变核素U238和Th232分别转换成易裂变核素Pu239和U233，从而在链式反应中实现易裂变核素的增殖，因此快堆又被称为增殖堆。为了提高燃料体积份额降低中子泄漏，从而降低快堆中易裂变燃料比投料量，快堆堆芯设计采用了三角形燃料栅格或六角形栅格。顺应这种栅格的布置，快堆采用六角形不锈钢套管将堆芯分割成若干区域，不锈钢套管及内部燃料棒束构成一个相对独立单元(组件)。相邻六角形套管间存在窄的间隙，其内部充满液态金属冷却剂。六角形套管侧壁面封闭，因此在组件径向只有热量交换而无质量、动量的交换。

组件内部以三角形或者六角形栅格形式排布多根燃料元件(通常多于37根)，相邻燃料棒之间由按照一定螺距缠绕的金属绕丝固定。由于组件内近壁面区域为绕丝与平面壁面接触，因此组件内近壁面区域孔隙率略大于中心区域。组件内近壁面区域的变动使近壁面区域的输运特性异于中心区域，即所谓的槽道效应。此外组件内燃料棒束裂变或衰变释热，组件内流场局部热不平衡现象显著，这一事实对组件内径向温度场影响较大。金属绕丝的存在，促使组件内流场一螺距为特征长度在轴向方向周期性变化。以上三方面问题使得对快堆组件的模拟不能简单的采用传统的多孔介质模型。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术不足，提供一种快堆棒束组件的多孔介质模拟方法，解决了采用传统多孔介质模拟严重失真的问题，充分利用已有CFD平台的二次开发便利、稳健的数值求解算法及大规模并行能力，为实现快堆全堆芯尺度的流动换热特性研究提供了一种现实可行的技术方案。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：建立不含实际棒束的堆芯组件几何模型，几何模型包含有厚度的组件盒壁面和盒间间隙；

步骤2：使用结构化六面体网格刻画步骤1中建立的几何模型，具体分为以下步骤：

步骤2-1：在几何模型的某一端面创建多个二维的方形块拓扑结构填充求解的几何域，其中组件盒内近壁面区域保留一层平行于组件盒壁面的、高度为H_W的一层方形块；

式中：D_Pitch——六边形组件内对边距/m，N——组件内棒束数量/根，P——燃料棒间节距/m；

步骤2-2：设置拓扑结构上节点数目及分布，生成二维面网格；

步骤2-3：拉伸步骤2-2中获得的二维面网格，获得三维结构化六面体网格；

步骤3：将三维结构化六面体网格导入到CFD求解器中，选用湍流模型；借助求解器用户自定义函数，计算组件盒内控制体中心点距组件盒内壁面距离；当组件盒内控制体中心点距组件盒内壁面距离超过给定高度，标定为多孔介质域，否则标记为纯流体域；

步骤4：根据棒束结构特征及流体工质在多孔介质中的输运特性，在组件内中心多孔介质域中引入动量源项S_i、能量源项S_T，以等效实际棒束结构引起的沿程压降及体积释热；修正动量方程的湍流粘性系数μ_t、能量方程的有效传热系数k_eff，向湍流方程中增加湍动能生成源项S_k及湍动能耗散率源项S_ε；棒束外围区域为纯流体域，不做特殊处理；

本步骤所涉及各物理量具体表达式如下：

其中f——为绕丝棒束阻力系数，

D_e1——棒束通道的等效水力直径，

|V|——棒束通道内的速度矢量模；V_i——棒束通道内的速度矢量分量，i＝1、2、3,分别表示X、Y、Z三个方向分量；D——燃料棒直径；P——燃料棒间节距；D_s——绕丝直径；H——绕丝轴向螺距；Q——燃料棒表面热流密度；γ——多孔介质体孔隙率；k——湍动能；ε——湍动能耗散率；κ——多孔介质扭曲度，

c_pf——冷却剂定压比热容；k_f——冷却剂导热系数；Pe_P——以通道内轴向速度为特质速度的贝克莱数；Re——以通道内轴向速度为特质速度的雷洛数；K——多孔介质渗透率，

步骤5：根据组件盒内相邻控制体属性，判定中心多孔介质域与外围纯流体域的相界面；据相界面处轴向切应力连续假定，向相界面外侧第一层控制体中增加额外的动量源项S_extra，

式中，

——棒束通道内轴向速度的径向梯度。

有益效果：

相比于以往假定组件内为均匀多孔介质的处理，本发明带来以下有益效果：

1)本方法充分考虑了快堆棒束组件径向传热被削弱，中心通道与边通道流量、热源分布不均等固有特征，即使在不详细刻画组件内棒束特征的情况下，也能较准确的模拟组件内径向温度分布及组件盒内与盒间的传热，为快堆全堆芯尺度的耦合传热准确模拟提供了可能。

2)充分利用CFD求解器自带计算控制体距壁面距离的功能，对组件盒内控制体的划分仅在组件盒内近壁面区域增加了网格量；相对均匀多孔介质的处理，当前方法的总体网格量不会有显著增加，因此具备与传统方法相当的低计算代价优势。

3)引入针对快堆棒束组件的实验或精细模拟获得的压降关系式和湍流输运经验关系式，提高了通用CFD程序对棒束组件内流场的预测精度；棒束结构的特征通过经验关系的形式进入在求解器中，容易在参数方程中修改，为进行棒束几何参数的敏感性分析及优化设计提供了可能。

附图说明

图1三盒棒束组件几何模型；

图2简化的三盒棒束组件几何模型；

图3三盒组件拓扑结构模型；

图4三盒组件网格节点布置；

图5三盒组件网格模型(横截面)；

图6三盒组件网格模型(整体)；

图7CFD中计算流程图；

图8为本发明流程图。

具体实施方式

以下结合图8所示流程图，以三盒组件模型为例，对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：针对棒束组件模型(如图1所示)，建立不含实际棒束的堆芯组件几何模型，几何模型包含有厚度的组件盒壁面和盒间间隙(如图2所示)。

步骤2：使用结构化六面体网格对步骤一所建立的几何模型进行刻画，具体地：

步骤2-1：几何模型的下一端面创建多个二维的方形块拓扑结构填充求解的几何域，其中组件盒内近壁面区域保留一层平行于组件盒壁面的、具有确定高度的一层方形块；如图3所示。

步骤2-2：设置拓扑结构上节点数目及分布，如图4所示；分别设置内部通道与外部通道的各网格边参数，生成二维面网格，其中在边界层处设定指数形式的分布律，在中心区域布置较稀疏节点；

步骤2-3：拉伸步骤2-2中获得的二维面网格，获得三维结构化六面体网格，如图5和图6所示；其中为了降低总体网格量，轴向方向可以指定较大网格尺寸。

步骤3：将三维结构化六面体网格导入到CFD求解器中，并选用湍流模型；借助求解器用户自定义函数，在算例初始化阶段对组件内进行标记；当组件盒内控制体中心距组件盒内壁面距离超过给定高度，标定为多孔介质域，否则标记为纯流体域。为减低计算量，该步骤的操作应在求解器的初始化阶段完成，如图7所示。

步骤4：根据棒束结构特征及流体工质在多孔介质中的输运特性，在组件内中心多孔介质域中引入

动量源项S_i、能量源项S_T，以等效实际棒束结构引起的沿程压降及体积释热；修正动量方程的湍流粘性系数μ_t、能量方程的有效传热系数k_eff，向湍流方程中增加湍动能生成源项S_k及湍动能耗散率源项S_ε；棒束外围区域为纯流体域，不做特殊处理；

本步骤所涉及各物理量具体表达式如下：

其中f——为绕丝棒束阻力系数，

D_e1——棒束通道的等效水力直径，

|V|——棒束通道内的速度矢量模；V_i——棒束通道内的速度矢量分量，i＝1、2、3,分别表示X、Y、Z三个方向分量；D——燃料棒直径；P——燃料棒间节距；D_s——绕丝直径；H——绕丝轴向螺距；Q——燃料棒表面热流密度；γ——多孔介质体孔隙率；k——湍动能；ε——湍动能耗散率；κ——多孔介质扭曲度，

c_pf——冷却剂定压比热容；k_f——冷却剂导热系数；Pe_P——以通道内轴向速度为特质速度的贝克莱数；Re——以通道内轴向速度为特质速度的雷洛数；K——多孔介质渗透率，

步骤5：根据组件盒内相邻控制体属性，判定中心多孔介质域与外围纯流体域的相界面；据相界面处轴向切应力连续假定，向相界面外侧第一层控制体中增加额外的动量源项S_extra，

式中，

——棒束通道内轴向速度的径向梯度。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立不含实际棒束的堆芯组件几何模型，几何模型包含有厚度的组件盒壁面和盒间间隙；

步骤2：使用结构化六面体网格刻画步骤1中建立的几何模型，具体分为以下步骤：

步骤2-1：在几何模型的某一端面创建多个二维的方形块拓扑结构填充求解的几何域，其中组件盒内近壁面区域保留一层平行于组件盒壁面的、高度为H_W的一层方形块；

式中：D_Pitch——六边形组件内对边距/m，N——组件内棒束数量/根，P——燃料棒间节距/m；

步骤2-2：设置拓扑结构上节点数目及分布，生成二维面网格；

步骤2-3：拉伸步骤2-2中获得的二维面网格，获得三维结构化六面体网格；

步骤3：将三维结构化六面体网格导入到CFD求解器中，选用湍流模型；借助求解器用户自定义函数，计算组件盒内控制体中心点距组件盒内壁面距离；当组件盒内控制体中心点距组件盒内壁面距离超过给定高度，标定为多孔介质域，否则标记为纯流体域；

步骤4：根据棒束结构特征及流体工质在多孔介质中的输运特性，在组件内中心多孔介质域中引入动量源项S_i、能量源项S_T，以等效实际棒束结构引起的沿程压降及体积释热；修正动量方程的湍流粘性系数μ_t、能量方程的有效传热系数k_eff，向湍流方程中增加湍动能生成源项S_k及湍动能耗散率源项S_ε；棒束外围区域为纯流体域，不做特殊处理；

本步骤所涉及各物理量具体表达式如下：

其中f——为绕丝棒束阻力系数，

——棒束通道的等效水力直径，

|V|——棒束通道内的速度矢量模；V_i——棒束通道内的速度矢量分量，i＝1、2、3,分别表示X、Y、Z三个方向分量；D——燃料棒直径；P——燃料棒间节距；D_s——绕丝直径；H——绕丝轴向螺距；Q——燃料棒表面热流密度；γ——多孔介质体孔隙率；k——湍动能；ε——湍动能耗散率；κ——多孔介质扭曲度，

c_pf——冷却剂定压比热容；k_f——冷却剂导热系数；Pe_P——以通道内轴向速度为特质速度的贝克莱数；Re——以通道内轴向速度为特质速度的雷洛数；K——多孔介质渗透率，

步骤5：根据组件盒内相邻控制体属性，判定中心多孔介质域与外围纯流体域的相界面；据相界面处轴向切应力连续假定，向相界面外侧第一层控制体中增加额外的动量源项S_extra，

式中，

——棒束通道内轴向速度的径向梯度。

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