CN111046614A - 一种带绕丝棒束组件结构化网格划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带绕丝棒束组件结构化网格划分方法，包括以下步骤：先建立带绕丝棒束组件流动通道的三维几何模型，并将其划分为包含绕丝特征的近棒通道和不包含绕丝几何特征的主流通道；再对近棒通道流通截面建立二维平面拓扑结构并设置网格节点参数，划分二维结构网格并旋转拉伸获得近棒通道的三维结构网格；再对主流通道流通截面划分二维结构网格并拉伸获得主流通道的三维结构网格；最后将近棒通道和主流通道的三维结构网格拼接，完成带绕丝棒束组件结构网格划分；本发明克服了带绕丝棒束组件非结构网格几何还原度低、网格质量差、网格数量难以控制等问题；同时易于调整网格数量和分布，能够为带绕丝棒束组件CFD计算提供高质量网格。

Description

一种带绕丝棒束组件结构化网格划分方法

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯热工水力分析计算领域，特别涉及到核反应堆堆芯带绕丝棒束通道热工水力分析计算领域。

背景技术

在核反应堆运行过程中，堆芯棒束燃料组件处于一个高温、高压、强辐射的环境中。为了应对在反应堆运行过程中由于冷却剂流动、燃料芯块肿胀、裂变气体释放和辐照等因素引起的燃料棒变形，保持燃料棒之间所需要的栅距，同时强化冷却剂与燃料棒之间的传热，通常会在棒束燃料组件中安装适当数量的定位件。缠绕在单棒上的螺旋形定位丝(绕丝)便是其中一种。绕丝的引入起到了燃料棒定位和强化棒束与冷却剂传热的作用，但同时也使得带绕丝棒束组件内流场具有较复杂的非对称性，温度场、速度场在绕丝的作用下呈现出较强的螺旋形偏转的趋势。因此，准确得出带绕丝棒束组件详细热工水力特性对于反应堆堆芯设计和安全分析至关重要。

目前多采用CFD模拟的方式计算带绕丝棒束组件内的详细流场。由于绕丝的存在，带绕丝棒束组件内流动通道的几何结构十分复杂，流动通道几何形状不规则，不同方向上特征尺寸相差巨大，这些结构特点给带绕丝棒束组件的网格划分带来了较大的困难。

目前对带绕丝棒束组件的网格划分一般通过前处理软件自动生成四面体或多面体非结构网格。相比于结构化网格，非结构网格对带绕丝棒束组件的几何还原度低，网格质量差，空间填充率低，网格数量更大，需要占用更多的计算资源。

近年有学者提出，在进行带绕丝棒束组件结构网格划分时，可先忽略绕丝的几何特征，划分出光棒的结构网格，再根据绕丝的参数方程，在CFD软件中标记出绕丝所处位置的网格单元，最后移除所标记的网格单元，得出带绕丝棒束的结构网格(下文中简称“网格标记法”)。这种方法较好地保持了带绕丝棒束组件的整体几何特征，但由于绕丝是通过移除网格得出的，故绕丝表面较为粗糙，计算中往往会高估绕丝处的流动阻力，给CFD模拟结果带来了误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有带绕丝棒束组件网格划分方法的不足，提供一种带绕丝棒束组件结构化网格划分方法，解决了非结构网格几何还原度低，网格质量差，空间填充率低，占用计算资源大的问题，同时克服了通过“网格标记法”生成的网格模型中，绕丝表面粗糙的问题，可在较好地还原带绕丝棒束组件几何特征的同时，灵活地调整网格节点参数，为带绕丝棒束组件CFD计算提供高质量网格。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带绕丝棒束组件结构网格划分方法，包括如下步骤：

步骤1：建立带绕丝棒束组件流动通道的三维几何模型，并将其划分为包含绕丝几何特征的近棒通道和不含绕丝几何特征的主流通道；

步骤2：对近棒通道进行结构化六面体网格划分，具体可分为以下步骤：

步骤2-1：根据燃料棒和绕丝的几何形状，对近棒通道流通截面建立二维平面拓扑结构，并根据计算精度需求设置节点数目和分布方式，生成近棒通道流通截面的二维结构化网格；

步骤2-2：根据棒束绕丝的螺距H和计算精度的需求，确定近棒通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸及需要旋转的角度，为了保持计算精度，每个轴向拉伸节点尺寸一般不大于H/36，旋转角度不超过10°；

步骤2-3：采用步骤2-2中确定的近棒通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸和需要旋转的角度，对步骤2-1中获得的二维结构化网格，采用“拉伸并旋转”的方式，生成近棒通道的三维结构化网格；

步骤3：对主流通道进行结构化六面体网格划分，具体可分为以下步骤：

步骤3-1：根据棒束栅元的排列方式和几何尺寸对主流通道流通截面建立二维拓扑结构，并根据计算精度需求设置节点数目和分布方式，生成主流通道流通截面的二维结构化网格；

步骤3-2：根据步骤2-2中近棒通道中轴向拉伸节点的尺寸，确定主流通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸，一般保持主流通道和近棒通道的轴向节点尺寸相等；

步骤3-3：采用步骤3-2中确定的主流通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸，拉伸步骤3-1中获得的二维结构化网格，生成主流通道的三维结构化网格；

步骤4：将近棒通道的三维结构化网格和主流通道的三维结构化网格拼接，完成带绕丝棒束组件结构化网格划分。

和现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明对带绕丝棒束流动通道采用结构化六面体网格划分，网格质量更高，计算时收敛性更好；

2、本发明在建立带绕丝棒束组件流通截面的二维拓扑结构时，充分考虑了绕丝的几何特征，提高了网格模型的几何还原度；

3、本发明可根据计算需求，灵活地调整网格节点数量和分布，可采用轴向长度较大，径向宽度较小的细长型结构化六面体网格刻画带绕丝棒束组件，在减少网格数量，节约计算资源的同时保证计算质量。

附图说明

图1为本发明实施流程图；

图2-1为超临界水堆带绕丝2×2棒束组件三维几何模型示意图；

图2-2为近棒通道和主流通道划分示意图；

图3-1为近棒通道二维拓扑结构示意图；

图3-2为近棒通道三维结构网格示意图；

图4-1为主流通道二维拓扑结构示意图；

图4-2为主流通道三维结构网格示意图；

图5为拼接后带绕丝棒束组件三维结构网格示意图。

具体实施方式

下面结合图1所示流程图，以超临界水堆2×2带绕丝燃料组件为例，对本发明作进一步详细描述。具体包括以下步骤：

步骤1：建立超临界压水堆带绕丝2×2棒束组件三维几何模型，建模时需建出绕丝几何特征，本例中选取的计算区域长度为300mm，两个绕丝螺距长度，如图2-1所示，再将带绕丝棒束组件划分为包含绕丝几何特征的近棒通道和不含绕丝几何特征的主流通道，如图2-2所示；所划分的近棒通道由完全包含绕丝几何特征的圆形截面通道构成，主流通道为带绕丝棒束组件流动通道中除去近棒通道的部分。

步骤2：对近棒通道进行结构化六面体网格划分，具体地有：

步骤2-1：根据本例中燃料棒和绕丝的几何形状，采用C型剖分对近棒通道建立二维拓扑结构，如图3-1所示，再在二维拓扑结构上设置节点数目和分布方式，生成近棒通道流通截面的二维结构化网格；

步骤2-2：根据计算需求，确定每个轴向拉伸节点的尺寸为3mm，相应旋转角度为7.2°；

步骤2-3：根据步骤2-2中确定的每个轴向拉伸节点的尺寸和旋转角度，对步骤2-1中获得的二维结构化网格，采用“拉伸并旋转”的方式，生成近棒通道的三维结构化网格，如图3-2所示；

步骤3：对主流通道进行结构化六面体网格划分，具体地有：

步骤3-1：根据棒束栅元的排列方式和几何尺寸，采用O型中心剖分对主流通道流通截面建立二维拓扑结构，如图4-1所示，并设置节点数目和分布方式，生成主流通道流通截面的二维结构化网格；

步骤3-2：根据步骤2-2中确定的近棒通道轴向拉伸节点尺寸，确定主流通道每个轴向拉伸节点的尺寸为3mm；

步骤3-3：根据步骤3-3中确定的每个轴向拉伸节点的尺寸，拉伸步骤3-1中获得的二维结构化网格，生成主流通道的三维结构化网格，如图4-2所示；

步骤4：将近棒通道的三维结构化网格和主流通道的三维结构化网格拼接，完成带绕丝棒束组件结构化网格划分，成品如图5所示。

作为本发明的优选实施方式，步骤2-1中，对近棒通道建立的二维拓扑结构采用C型剖分。

作为本发明的优选实施方式，步骤3-1中，对主流通道建立的二维拓扑结构采用O型中心剖分。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种带绕丝棒束组件结构网格划分方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立带绕丝棒束组件流动通道的三维几何模型，并将其划分为包含绕丝几何特征的近棒通道和不含绕丝几何特征的主流通道；

步骤2：对近棒通道进行结构化六面体网格划分，具体分为以下步骤：

步骤2-1：根据燃料棒和绕丝的几何形状，对近棒通道流通截面建立二维平面拓扑结构，并根据计算精度需求设置节点数目和分布方式，生成近棒通道流通截面的二维结构化网格；

步骤2-2：根据棒束绕丝的螺距H和计算精度的需求，确定近棒通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸及需要旋转的角度；

步骤2-3：采用步骤2-2中确定的近棒通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸和需要旋转的角度，对步骤2-1中获得的二维结构化网格，采用“拉伸并旋转”的方式，生成近棒通道的三维结构化网格；

步骤3：对主流通道进行结构化六面体网格划分，具体分为以下步骤：

步骤3-1：根据棒束栅元的排列方式和几何尺寸对主流通道流通截面建立二维平面拓扑结构，并根据计算精度需求设置节点数目和分布方式，生成主流通道流通截面的二维结构化网格；

步骤3-2：根据步骤2-2中近棒通道中轴向拉伸节点的尺寸，确定主流通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸；

步骤3-3：采用步骤3-2中确定的主流通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸，拉伸步骤3-1中获得的二维结构化网格，生成主流通道的三维结构化网格；

步骤4：将近棒通道的三维结构化网格和主流通道的三维结构化网格拼接，完成带绕丝棒束组件结构化网格划分。

2.如权利要求1所述的一种带绕丝棒束组件结构网格划分方法，其特征在于：步骤1中，所建立的带绕丝棒束组件流动通道三维几何模型为包含绕丝几何特征的完整三维几何模型。

3.如权利要求1所述的一种带绕丝棒束组件结构网格划分方法，其特征在于：步骤1中，所划分的近棒通道由完全包含绕丝几何特征的圆形截面通道构成，主流通道为带绕丝棒束组件流动通道中除去近棒通道的部分。

4.如权利要求1所述的一种带绕丝棒束组件结构网格划分方法，其特征在于：步骤2-1中，对近棒通道建立的二维拓扑结构采用C型剖分。

5.如权利要求1所述的一种带绕丝棒束组件结构网格划分方法，其特征在于：步骤3-1中，对主流通道建立的二维拓扑结构采用O型中心剖分。

6.如权利要求1所述的一种带绕丝棒束组件结构网格划分方法，其特征在于：步骤2-2中，近棒通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸不大于H/36，旋转角度不超过10°。

7.如权利要求1所述的一种带绕丝棒束组件结构网格划分方法，其特征在于：步骤3-2中，主流通道三维结构化网格每个轴向拉伸节点的尺寸与近棒通道的轴向拉伸节点尺寸相等。

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