CN111274748B - 池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法，包括如下步骤：针对关键几何部件的复杂区域进行局部精细化模拟获取多孔介质参数；针对堆本体关键几何部件进行几何简化建立非能动余热排出系统三维模块；针对三维模块划分网格；结合局部精细化模拟化获得多孔介质参数对三维模块进行参数设置；针对非能动余热排出系统的堆外回路采用用户自定义函数建立一维系统模块；在CFD软件中进行三维模块和一维系统模块的稳态调试；在稳态调试调试后，进行钠冷快堆非能动余热排出系统的瞬态计算。本发明在现有CFD软件的基础上，借助用户自定义函数开发堆外回路内耦合模块，从而实现精确计算事故工况下非能动余热排除系统投入使用后，池式钠冷快堆的自然循环下的热工水力特性。

Description

池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法

技术领域

本发明属于池式钠冷快堆领域，具体涉及到事故工况下，池式钠冷快堆的非能动余热排出系统的跨维度耦合计算方法。

背景技术

池式钠冷快堆因其独特的设计理念以及系统布置方式导致堆本体内部的热工水力现象与常规核动力系统不同，具备明显的三维流动特征，给其安全特性的研究与计算带来了困难，例如：考虑盒间流效应的全堆芯三维热工水力特性，尤其是瞬态事故工况下的堆芯余热排出能力；由强迫循环到过渡阶段直至自然循环建立过程中，热池内复杂的三维流场和温度场变化，尤其是热分层现象中高的温度梯度引起的重要构件热应力和疲劳。与此同时，堆外回路则是由多段长直管道与弯管和热交换器连接而成的闭合回路，又具备明显的一维流动特征。此外，为提高池式钠冷快堆的固有安全性，其安全系统采用了非能动余热排出系统，依靠自然循环带走堆芯衰变热。自然循环下，各部件的流动与换热相互依赖和影响，堆本体内是一个有机的整体，不能简单将堆本体内各部件割裂开进行计算。

现有的系统程序如SAS4A、THACS、ATHLET等针对池式钠冷快堆的建模，多是基于一维系统模块和伪三维模块，难以精准捕捉堆芯盒间、热池、冷池内复杂的三维空间效；而CFD软件如Fluent、CFX、Star-CCM等在现行的计算能力下，难以针对堆本体和堆外回路几何部件同时实现三维建模并耦合起来计算；而部分学者采用基于现有系统程序和CFD程序的耦合计算是基于外耦合的策略，如OpenFOAM&ATHLET、CATHARE&TRIO U，Fluent&Relap5其在建模，将堆本体有机整体拆分成几个部分，然后采用系统程序和CFD程序耦合计算，其在计算过程中破坏了池式钠冷快堆堆本体作为一个有机整体，降低了计算精度。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法，在现有CFD软件的基础上，借助用户自定义函数开发堆外回路内耦合模块，从而实现精确计算事故工况下非能动余热排除系统投入使用后，池式钠冷快堆的自然循环下的热工水力特性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法，包括如下步骤：

步骤1：针对池式钠冷快堆堆本体内部分关键几何部件的复杂区域，不做几何简化，进行局部精细化三维水力学CFD模拟，计算不同流速下的复杂区域内的总压降，并将不同流速下的总压降值拟合成二次项形式；通过拟合后的流速-总压降二次项的系数计算多孔介质粘性阻力系数和惯性阻力系数；所述部分关键几何部件的复杂区域包括堆芯内组件的绕丝棒束区、中间热交换器传热区、独立热交换器传热区、钢套屏蔽多层钢板区和生物屏蔽柱屏蔽束区；

步骤2：针对池式钠冷快堆堆本体内关键几何部件进行相应的几何简化，建立非能动余热排出系统的三维模块，所述堆本体内关键几何部件包含有堆芯、中间热交换器、独立热交换器、主泵、冷池、热池、中心测量柱、钢套屏蔽柱、生物屏蔽柱、水平热屏蔽、高压管和栅板联箱；

步骤3：针对步骤2中三维模块采用网格划分软件进行网格划分，建立相应的三维模块网格模型；

步骤4：将步骤3中的三维模块网格模型导入到CFD软件中，并在CFD软件中设定三维模块的参数，具体步骤如下：

步骤4-1：根据池式钠冷快堆堆芯内各组件设计功率对堆芯内每一盒组件设置能量源项，利用CFD软件中的用户自定义函数获取堆芯内各组件网格控制体的z坐标，按照z坐标将堆芯内各组件沿轴向标记为进口区、出口区、绕丝棒束区三个分区类型，并采用CFD软件中的用户自定义函数按照堆芯内各组件分区类型分别给定多孔介质参数中的粘性阻力系数和惯性阻力系数，具体三个分区的参数设置如下：

a)进口区粘性阻力系数初始指定为0，惯性阻力系数初始指定为0，后续在步骤6中按照设计结果调整；

b)出口区粘性阻力系数指定为0，惯性阻力系数指定为0，并在计算过程中保持不变；

c)绕丝棒束区粘性阻力系数指定为步骤1中通过局部精细化三维水力学CFD模拟堆芯内组件的绕丝棒束区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数指定为步骤1中通过局部精细化三维水力学CFD模拟堆芯组件的绕丝棒束区获得的惯性阻力系数，并在整个耦合计算过程中保持不变；

步骤4-2：中间热交换器内的多孔介质参数中的粘性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维化水力学CFD模拟中间热交换器传热区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数设置为步骤1中通过局部精细化三维水力学CFD模拟中间热交换器传热区获得的惯性阻力系数，并在整个耦合计算过程中保持不变；按照中间热交换器功率设定能量源项；

步骤4-3：独立热交换器内的多孔介质参数中粘性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟独立热交换器传热区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟独立热交换器传热区获得的惯性阻力系数，并在整个耦合计算过程中保持不变；按照独立热交换器功率设定能量源项；

步骤4-4：生物屏蔽柱内的多孔介质参数粘性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟生物屏蔽柱屏蔽束区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟生物屏蔽柱屏蔽束区获得的惯性阻力系数；

步骤4-5：钢套屏蔽柱内的多孔介质参数粘性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟钢套屏蔽多层钢板区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟钢套屏蔽多层钢板区获得的惯性阻力系数；

步骤4-6：主泵出口面设置为风扇面边界条件，按照主泵扬程给定边界条件；

步骤5：针对池式钠冷快堆的堆外回路关键部件不直接进行实体几何建模，而是利用CFD软件中的用户自定义函数将堆外回路关键部件简化为一维系统模型，并根据池式钠冷快堆堆外回路实际组成，将一维系统模型构建成非能动余热排出系统的一维系统模块，通过一维系统模块进行非能动余热排出系统堆外回路关键部件的相关计算；所述堆外回路关键部件包括独立热交换器、空气热交换器和管道；

步骤6：在CFD软件中进行三维模块和一维系统模块稳态调试，并利用CFD软件中的用户自定义函数根据计算流量与设计流量的偏差，调整步骤4-1中的堆芯内各组件进口区多孔介质参数，调试完成后进入步骤7；

步骤7：将步骤6稳态调试完成后的结果作为t₀时刻，并移除步骤6中的CFD软件中的用户自定义函数后，进行池式钠冷快堆非能动余排系统跨维度耦合瞬态计算，具体步骤如下：

步骤7-1：t_n时刻先由CFD程序直接计算三维模块的流动换热并得到三维模块中的独立热交换器一次侧传热区温度T(x,y,z)_3,dhx，然后由CFD程序中的用户自定义函数根据一维系统模块计算堆外回路并得到一维系统模块中的独立热交换器的换热量q(z)_1,dhx；

步骤7-2：将t_n时刻由CFD程序直接计算的三维模块中的独立热交换器一次侧传热区三维温度分布T(x,y,z)_3,dhx按照式(1)进行降维处理得到独立热交换器一次侧传热区一维轴向温度分布T(z)_1,dhx，然后更新一维系统模块中独立热交换器一次侧温度分布为T(z)_1,dhx；将t_n时刻由CFD程序中的用户自定函数计算得到的一维系统模块中的独立热交换器传热区的轴向一维换热量分布q(z)_1,dhx按照式(2)进行升维处理得到独立热交换器传热区的轴向三维换热量分布q(x,y,z)_3,dhx，然后更新三维模块中独立热交换器中的内热源值为q(x,y,z)_3,dhx；

式中：V_z为z方向速度，A_z为z方向投影面积，x,y,z分别为x，y，z方向坐标；

步骤7-3：在步骤7-2的基础上，开始t_n+1时刻的计算，计算顺序同步骤7-1；

步骤7-4：重复步骤7-1到步骤7-3，直至完成预设的全时段的瞬态计算。

步骤2中所述几何简化包括：

a)忽略堆芯内组件的绕丝棒束区的棒束及组件的进出口区，将组件均匀打混，按照多孔介质处理；

b)忽略独立热交换器传热区棒束，将独立热交换器传热区均匀打混，按照多孔介质处理；

c)忽略中间热交换器传热区棒束，将中间热交换器传热区均匀打混，按照多孔介质处理；

d)忽略钢套屏蔽多层钢板区的垂直钢板，将钢套屏蔽多层钢板区均匀打混，按照多孔介质处理；

e)忽略生物屏蔽柱屏蔽束区的屏蔽棒束，将生物屏蔽柱屏蔽束区均匀打混，按照多孔介质处理；

f)忽略栅板联箱中小栅板联箱的几何结构，将栅板联箱均匀打混，按照多孔介质处理；

g)忽略冷池内冷池隔板的厚度，将冷池隔板简化为无厚度面；

h)忽略水平热屏蔽的三层水平热屏蔽板，将水平热屏蔽等效为整体区域；

i)忽略主泵内机械部件，仅保留叶轮区域，并将叶轮区域均匀打混，按照均匀流体域处理。

步骤6中所述的三维模块和一维系统模块稳态调试方法如下：

a)在CFD软件中监测收敛残差error，并通过CFD软件中的用户自定义函数获取堆芯组件进出口温度T_core,inlet、T_core,outlet，中间热交换器进出口温度T_ihx,inlet、T_ihx,outlet，独立热交换器进出口温度T_dhx,inlet、T_dhx,outlet；

b)利用CFD软件中的用户自定义函数，每执行n步迭代，获取堆芯每一盒组件的出口流量，并根据下列公式计算堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差：

式中：ε_index为堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差，W为堆芯组件出口流量，下标index为堆芯内组件序号，calculate为计算值，design为设计值；

c)根据式(3)计算的堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差ε_index，通过式(4)判断并调整步骤4-1中的堆芯组件进口区多孔介质参数：

式中α为粘性阻力系数，C₂为惯性阻力系数，下标present当前迭代步，previous上一迭代步，user为用户指定；

d)当a)中设置的监测量满足式(5)的条件，则认为稳态调试完成，否则重复步骤a-c；

式中ε_index为堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差；error为步骤a)中在CFD软件中监测的收敛残差；T_{core,inlet,present}为堆芯当前迭代步进口温度，T_{core,inlet,previous}为堆芯上一迭代步进口温度，T_{core,outlet,present}为堆芯当前迭代步出口温度，T_{core,outlet,previous}为堆芯上一迭代步出口温度，T_{ihx,inlet,present}中间热交换器当前迭代步进口温度，T_{ihx,inlet,previous}中间热交换器上一迭代步进口温度T_{ihx,outlet,present}为中间热交换器当前迭代步出口温度，T_{ihx,outlet,previous}为中间热交换器上一迭代步出口温度，T_{dhx,inlet,present}独立热交换器当前迭代步进口温度，T_{dhx,inlet,previous}独立热交换器上一迭代步进口温度，T_dhx,outletT_{dhx,outlet,present}为独立热交换器当前迭代步出口温度，T_{dhx,outlet,present}为独立热交换器上一迭代步出口温度。

与现有技术相比，本发明具备如下优点：

本发明充分利用现有CFD软件的成熟的用户自定义函数，实现三维模块和一维系统模块的内耦合计算；本发明采用跨维度耦合计算，有利于在池式钠冷快堆非能动余热排出系统投入使用后，精确计算池式钠冷快堆的自然循环下热工水力特性，从而提高池式钠冷快堆设计分析能力。

附图说明

图1为池式钠冷非能余热排出系统跨维度耦合计算流程图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步阐述。

本发明提供了一种池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法，如图1所示，具体步骤如下

符号说明：下标core为堆芯组件绕丝区，ihx为中间热交换器传热区，dhx为独立热交换器传热区，steel为钢套屏蔽多层钢板区，shield为生物屏蔽柱屏蔽束区，index为堆芯内组件序号，calculate为计算值，design为设计值，present当前迭代步，previous上一迭代步，user为用户指定，outlet为出口，inlet为进口，3代表三维模块，1代表一维系统模块。

步骤1：针对池式钠冷快堆堆本体内部分关键几何部件的复杂区域，不做几何简化，进行局部精细化三维水力学CFD模拟获取多孔介质粘性阻力系数和惯性阻力系数，所述部分关键几何部件的复杂区域包括堆芯组件绕丝棒束区、中间热交换器传热区、独立热交换器传热区、钢套屏蔽多层钢板区和生物屏蔽柱屏蔽束区，具体步骤如下：

步骤1-1：针对上述部分关键几何部件复杂区域分别采用局部精细化水力学CFD模拟，获取关键几何部件复杂区域不同流速下的总压降值，并将不同流速下的总压降值拟合成二次项形式，具体表达式如下：

Δp_core＝a_corev+b_corev² (1)

Δp_ihx＝a_ihxv+b_ihxv² (2)

Δp_dhx＝a_dhxv+b_dhxv² (3)

Δp_steel＝a_steelv+b_steelv² (4)

Δp_shield＝a_shieldv+b_shieldv² (5)

式中Δp为压降，v为流速，a、b为拟合的二次项系数；

步骤1-2：利用步骤1-1中拟合二次项系数a计算粘性阻力系数(1/α)，拟合的二次项系数b计算惯性阻力系数C₂，具体公式如下：

(1/α)_core＝a_core/(μ_coreΔn_core),C_2,core＝(2b_core)/(ρ_coreΔn_core) (6)

(1/α)_ihx＝a_ihx/(μ_ihxΔn_ihx),C_2,ihx＝(2b_ihx)/(ρ_ihxΔn_ihx) (7)

(1/α)_dhx＝a_dhx/(μ_dhxΔn_dhx),C_2,dhx＝(2b_dhx)/(ρ_dhxΔn_dhx) (8)

(1/α)_steel＝a_steel/(μ_steelΔn_steel),C_2,steel＝(2b_steel)/(ρ_steelΔn_steel) (9)

(1/α)_shield＝a_shield/(μ_shieldΔn_shield),C_2,shield＝(2b_shield)/(ρ_shieldΔn_shield) (10)式中μ为粘度，Δn为多孔介质厚度，ρ为密度；

步骤2：针对池式钠冷快堆堆本体关键几何部件进行相应的几何简化并建立堆本体整体的三维模块，所述堆本体关键几何部件包含有堆芯、中间热交换器、独立热交换器、主泵、冷池、热池、中心测量柱、钢套屏蔽柱、生物屏蔽柱、水平热屏蔽、高压管和栅板联箱，关键几何部件简化方法如下：

a)忽略堆芯内组件的绕丝棒束区的棒束及组件的进出口区，将组件均匀打混，按照多孔介质处理；

b)忽略独立热交换器传热区棒束，将独立热交换器传热区均匀打混，按照多孔介质处理；

c)忽略中间热交换器传热区棒束，将中间热交换器传热区均匀打混，按照多孔介质处理；

d)忽略钢套屏蔽多层钢板区的垂直钢板，将钢套屏蔽多层钢板区均匀打混，按照多孔介质处理；

e)忽略生物屏蔽柱屏蔽束区的屏蔽棒束，将生物屏蔽柱屏蔽束区均匀打混，按照多孔介质处理；

f)忽略栅板联箱中小栅板联箱的几何结构，将栅板联箱均匀打混，按照多孔介质处理；

g)忽略冷池内冷池隔板的厚度，将冷池隔板简化为无厚度面；

h)忽略水平热屏蔽的三层水平热屏蔽板，将水平热屏蔽等效为整体区域；

i)忽略主泵内机械部件，仅保留叶轮区域，并将叶轮区域均匀打混，按照均匀流体域处理。

步骤3：针对步骤2中堆本体整体的三维模块采用网格划分软件进行网格划分，形成相应的三维模块网格模型；

步骤4：将步骤3中的三维模块网格模型导入到CFD软件中，并在CFD软件设定关键几何部件的参数，具体步骤如下：

步骤4-1：根据池式钠冷快堆堆芯内各组件设计功率对堆芯内每一盒组件设置能量源项，利用CFD软件中的用户自定义函数获取堆芯内各组件网格控制体的z坐标，按照z坐标将堆芯内各组件标记为进口区、出口区、绕丝棒束区三个分区，并采用CFD软件中的用户自定义函数按照堆芯内各组件分区给定多孔介质参数中的粘性阻力系数和惯性阻力系数，具体多孔介质参数分区设置如下：

a)进口区粘性阻力系数1/α_core,inlet初始指定为0，惯性阻力系数C_2,core,inlet初始指定为0，后续按照计算结果调整；

b)出口区粘性阻力系数1/α_core,outlet指定为0，惯性阻力系数C_{2,core,outlet}指定为0，并在计算过程中保持不变；

c)绕丝棒束区粘性阻力系数指定为步骤1-2中的1/α_core，惯性阻力系数指定为步骤1-2中的C_2,core，并在计算过程中保持不变；

步骤4-2：中间热交换器内的多孔介质参数中的粘性阻力系数设置为步骤1-2中的1/α_ihx，惯性阻力系数设置为步骤1-2中的C_2,ihx，并按照中间热交换器功率设定能量源项；

步骤4-3：独立热交换器内的多孔介质参数中的粘性阻力系数设置为步骤1-2中的1/α_dhx，惯性阻力系数设置为步骤1-2中的C_2,dhx，并按照独立热交换器功率设定能量源项；

步骤4-4：生物屏蔽柱内的多孔介质参数中的粘性阻力系数设置为步骤1-2中的1/α_shield，惯性阻力系数设置为步骤1-2中的C_2,shield；

步骤4-5：钢套屏蔽柱内的多孔介质参数中的粘性阻力系数设置为步骤1-2中的1/α_steel，惯性阻力系数设置为步骤1-2中的C_2,steel；

步骤4-6：主泵出口面设置为风扇面边界条件，按照主泵压头给定边界条件；

步骤5：针对池式钠冷快堆的堆外回路关键部件不直接进行实体几何建模，而是利用CFD软件中的用户自定义函数将堆外回路关键部件简化为一维系统模型，并根据池式钠冷快堆堆外回路实际组成，将一维系统模型构建成非能动余热排出系统的一维系统模块，通过一维系统模块进行堆外回路部件的相关计算；所述堆外回路关键部件包含独立热交换器、空气热交换器和管道，相应的一维系统模型具体描述如下：

独立热交换器模型：认为两侧的钠均为不可压缩流体；认为各参数与径向分布无关，沿径向方向均匀分布；除换热管壁和两侧钠流体其余部分的热容忽略不计。具体控制方程如下：

两侧动量方程：

式中：L——控制体长度；A——控制体截面积；w——控制体流量；p_inlet——进口压力；p_outlet——出口压力；Δp_i——控制体；

两侧流体的能量方程：

式中：q_l——换热管传递给冷却剂的热流密度/W·m^-2；S_c——为换热管换热面积；

换热管管壁的能量方程：

式中：ρ_W——换热管所用材料密度/kg·m^-3；c_pW——换热管材料比热容/J·m^-3·K^-1；T_W——换热管壁面温度/K；R₁、R₂——一次侧、二次侧冷却剂与换热管之间的换热热阻，即对流换热热阻和壁面导热热阻的和/W·m^-2·K^-1；S₁、S₂——一次侧、二次侧冷却剂与换热管之间的换热面积/m²；T₁、T₂——一次侧、二次侧冷却剂温度/K；δ_W——换热管壁面厚度/m。

空气热交换器模型：空冷器钠侧的模型与钠-钠热交换器模型一致，由于空气的流速远远低于声速，且压缩性对换热的计算影响很小，采用一维不可压缩模型模拟空气侧的流动与换热，具体控制方程如下：

动量方程：

式中：W——流量kg/s；ΔP_i——传热区域第i个控制体内总压降/Pa；ΔP_stack——烟囱内总压降/Pa；ΔP_O——空气出口到入口高度所对应的环境压降/Pa；f_i——传热区摩擦阻力系数，此值的根据换热管的形状不同而选择不同的计算关系式；k_j——局部阻力系数；

能量守恒方程：

式中：V_i——控制体i的容积/m³；S_i——控制体i与换热管的换热面积/m²；

管道：采用一维节点热平衡模型并考虑壁面与外界的换热，忽略管道内流体的可压缩性，具体控制方程如下：

式中：L——控制体长度；A——控制体截面积；w——控制体流量；p_inlet——进口压力；p_outlet——出口压力；Δp_i——控制体；

能量守恒方程：

式中：

——管道内壁面温度/K；S_i——管道内壁面换热面积/m²；

步骤6：在CFD软件中进行三维模块和一维系统模块稳态调试，并根据计算流量与设计流量的偏差，调整步骤4-1中的堆芯内各组件进口区多孔介质参数，具体步骤如下：

步骤6-1：在CFD软件中监测收敛残差error，堆芯组件进出口温度T_core,inlet、T_core,outlet，中间热交换器进出口温度T_ihx,inlet、T_ihx,outlet，独立热交换器进出口温度T_dhx,inlet、T_dhx,outlet；

步骤6-2：利用CFD软件中的用户自定义函数，每执行n步迭代，获取堆芯每一盒组件的出口流量，并根据下列公式计算堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差：

式中：ε_index为堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差，W为堆芯组件出口流量；

步骤6-3：根据步骤5-1计算的ε_i进行判断并调整步骤4-1中的堆芯组件进口区多孔介质参数：

式中1/α_user、C_user为用户根据经验指定的常量；

步骤6-4：当满足式(23)的条件，则稳态调试完成，进行步骤7，否则重复步骤6-1到6-3；

步骤7：步骤6-4稳态调试完成后的结果作为T₀时刻，并移除步骤6-2中的用户自定义函数后，进行池式钠冷快堆非能动余排系统跨维度耦合瞬态计算，具体步骤如下：

步骤7-1：t_n(n＝0,1,2,3,...)时刻先由CFD程序直接计算堆本体内三维模块的流动换热并得到独立热交换器一次侧传热区温度T(x,y,z)_3,dhx，然后由CFD程序中的用户自定义函数根据一维系统模块计算堆外回路并得到一维系统模块中的独立热交换器的换热量q(z)_1,dhx；

步骤7-2：将t_n时刻由CFD程序直接计算的三维模块中的独立热交换器一次侧传热区三维温度分布T(x,y,z)_3,dhx按照式(24)进行降维处理得到独立热交换器一次侧传热区一维轴向温度分布T(z)_1,dhx，然后更新一维系统模块中独立热交换器一次侧温度分布为T(z)_1,dhx；将t_n时刻由CFD程序中的用户自定函数计算得到的一维系统模块中的独立热交换器传热区的轴向一维换热量分布q(z)_1,dhx按照式(25)进行升维处理得到独立热交换器传热区的轴向三维换热量分布q(x,y,z)_3,dhx，然后更新三维模块中独立热交换器中的内热源值为q(x,y,z)_3,dhx；

q(x,y,z)_3,dhx＝q(z)_1,dhx (25)

式中：V_z为z方向速度，A_z为z方向投影面积，x,y,z分别为x，y，z方向坐标；

步骤7-3：在步骤7-2的基础上，开始t_n+1时刻的计算，计算顺序同步骤7-1；

步骤7-4：重复步骤7-1到步骤7-3，直至完成预设的全时段的瞬态计算。

Claims (3)

1.一种池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：针对池式钠冷快堆堆本体内部分关键几何部件的复杂区域，不做几何简化，进行局部精细化三维水力学CFD模拟，计算不同流速下的复杂区域内的总压降，并将不同流速下的总压降值拟合成二次项形式；通过拟合后的流速-总压降二次项的系数计算多孔介质粘性阻力系数和惯性阻力系数；所述部分关键几何部件的复杂区域包括堆芯内组件的绕丝棒束区、中间热交换器传热区、独立热交换器传热区、钢套屏蔽多层钢板区和生物屏蔽柱屏蔽束区；

步骤2：针对池式钠冷快堆堆本体内关键几何部件进行相应的几何简化，建立非能动余热排出系统的三维模块，所述堆本体内关键几何部件包含有堆芯、中间热交换器、独立热交换器、主泵、冷池、热池、中心测量柱、钢套屏蔽柱、生物屏蔽柱、水平热屏蔽、高压管和栅板联箱；

步骤3：针对步骤2中三维模块采用网格划分软件进行网格划分，建立相应的三维模块网格模型；

步骤4：将步骤3中的三维模块网格模型导入到CFD软件中，并在CFD软件中设定三维模块的参数，具体步骤如下：

步骤4-1：根据池式钠冷快堆堆芯内各组件设计功率对堆芯内每一盒组件设置能量源项，利用CFD软件中的用户自定义函数获取堆芯内各组件网格控制体的z坐标，按照z坐标将堆芯内各组件沿轴向标记为进口区、出口区、绕丝棒束区三个分区类型，并采用CFD软件中的用户自定义函数按照堆芯内各组件分区类型分别给定多孔介质参数中的粘性阻力系数和惯性阻力系数，具体三个分区的参数设置如下：

a)进口区粘性阻力系数初始指定为0，惯性阻力系数初始指定为0，后续在步骤6中按照设计结果调整；

b)出口区粘性阻力系数指定为0，惯性阻力系数指定为0，并在计算过程中保持不变；

c)绕丝棒束区粘性阻力系数指定为步骤1中通过局部精细化三维水力学CFD模拟堆芯内组件的绕丝棒束区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数指定为步骤1中通过局部精细化三维水力学CFD模拟堆芯组件的绕丝棒束区获得的惯性阻力系数，并在整个耦合计算过程中保持不变；

步骤4-2：中间热交换器内的多孔介质参数中的粘性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维化水力学CFD模拟中间热交换器传热区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数设置为步骤1中通过局部精细化三维水力学CFD模拟中间热交换器传热区获得的惯性阻力系数，并在整个耦合计算过程中保持不变；按照中间热交换器功率设定能量源项；

步骤4-3：独立热交换器内的多孔介质参数中粘性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟独立热交换器传热区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟独立热交换器传热区获得的惯性阻力系数，并在整个耦合计算过程中保持不变；按照独立热交换器功率设定能量源项；

步骤4-4：生物屏蔽柱内的多孔介质参数粘性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟生物屏蔽柱屏蔽束区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟生物屏蔽柱屏蔽束区获得的惯性阻力系数；

步骤4-5：钢套屏蔽柱内的多孔介质参数粘性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟钢套屏蔽多层钢板区获得的粘性阻力系数，惯性阻力系数设置为步骤1中的通过局部精细化三维水力学CFD模拟钢套屏蔽多层钢板区获得的惯性阻力系数；

步骤4-6：主泵出口面设置为风扇面边界条件，按照主泵扬程给定边界条件；

步骤5：针对池式钠冷快堆的堆外回路关键部件不直接进行实体几何建模，而是利用CFD软件中的用户自定义函数将堆外回路关键部件简化为一维系统模型，并根据池式钠冷快堆堆外回路实际组成，将一维系统模型构建成非能动余热排出系统的一维系统模块，通过一维系统模块进行非能动余热排出系统堆外回路关键部件的相关计算；所述堆外回路关键部件包括独立热交换器、空气热交换器和管道；

步骤6：在CFD软件中进行三维模块和一维系统模块稳态调试，并利用CFD软件中的用户自定义函数根据计算流量与设计流量的偏差，调整步骤4-1中的堆芯内各组件进口区多孔介质参数，调试完成后进入步骤7；

步骤7：将步骤6稳态调试完成后的结果作为t₀时刻，并移除步骤6中的CFD软件中的用户自定义函数后，进行池式钠冷快堆非能动余排系统跨维度耦合瞬态计算，具体步骤如下：

步骤7-1：t_n时刻先由CFD程序直接计算三维模块的流动换热并得到三维模块中的独立热交换器一次侧传热区温度T(x,y,z)_3,dhx，然后由CFD程序中的用户自定义函数根据一维系统模块计算堆外回路并得到一维系统模块中的独立热交换器的换热量q(z)_1,dhx；

步骤7-2：将t_n时刻由CFD程序直接计算的三维模块中的独立热交换器一次侧传热区三维温度分布T(x,y,z)_3,dhx按照式(1)进行降维处理得到独立热交换器一次侧传热区一维轴向温度分布T(z)_1,dhx，然后更新一维系统模块中独立热交换器一次侧温度分布为T(z)_1,dhx；将t_n时刻由CFD程序中的用户自定函数计算得到的一维系统模块中的独立热交换器传热区的轴向一维换热量分布q(z)_1,dhx按照式(2)进行升维处理得到独立热交换器传热区的轴向三维换热量分布q(x,y,z)_3,dhx，然后更新三维模块中独立热交换器中的内热源值为q(x,y,z)_3,dhx；

q(x,y,z)_3,dhx＝q(z)_1,dhx (2)

式中：V_z为z方向速度，A_z为z方向投影面积，x,y,z分别为x，y，z方向坐标；

步骤7-3：在步骤7-2的基础上，开始t_n+1时刻的计算，计算顺序同步骤7-1；

步骤7-4：重复步骤7-1到步骤7-3，直至完成预设的全时段的瞬态计算。

2.根据权利要求1所述的一种池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法，其特征在于，步骤2中所述几何简化包括：

a)忽略堆芯内组件的绕丝棒束区的棒束及组件的进出口区，将组件均匀打混，按照多孔介质处理；

b)忽略独立热交换器传热区棒束，将独立热交换器传热区均匀打混，按照多孔介质处理；

c)忽略中间热交换器传热区棒束，将中间热交换器传热区均匀打混，按照多孔介质处理；

d)忽略钢套屏蔽多层钢板区的垂直钢板，将钢套屏蔽多层钢板区均匀打混，按照多孔介质处理；

e)忽略生物屏蔽柱屏蔽束区的屏蔽棒束，将生物屏蔽柱屏蔽束区均匀打混，按照多孔介质处理；

f)忽略栅板联箱中小栅板联箱的几何结构，将栅板联箱均匀打混，按照多孔介质处理；

g)忽略冷池内冷池隔板的厚度，将冷池隔板简化为无厚度面；

h)忽略水平热屏蔽的三层水平热屏蔽板，将水平热屏蔽等效为整体区域；

i)忽略主泵内机械部件，仅保留叶轮区域，并将叶轮区域均匀打混，按照均匀流体域处理。

3.根据权利要求1所述的一种池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法，其特征在于，步骤6中所述的三维模块和一维系统模块稳态调试方法如下：

a)在CFD软件中监测收敛残差error，并通过CFD软件中的用户自定义函数获取堆芯组件进出口温度T_core,inlet、T_core,outlet，中间热交换器进出口温度T_ihx,inlet、T_ihx,outlet，独立热交换器进出口温度T_dhx,inlet、T_dhx,outlet；

b)利用CFD软件中的用户自定义函数，每执行n步迭代，获取堆芯每一盒组件的出口流量，并根据下列公式计算堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差：

式中：ε_index为堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差，W为堆芯组件出口流量，下标index为堆芯内组件序号，calculate为计算值，design为设计值；

c)根据式(3)计算的堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差ε_index，通过式(4)判断并调整步骤4-1中的堆芯组件进口区多孔介质参数：

式中α为粘性阻力系数，C₂为惯性阻力系数，下标present当前迭代步，previous上一迭代步，user为用户指定；

d)当a)中设置的监测量满足式(5)的条件，则认为稳态调试完成，否则重复步骤a-c；

式中ε_index为堆芯内各组件出口流量的设计值与计算值之间的相对误差；error为步骤a)中在CFD软件中监测的收敛残差；T_{core,inlet,present}为堆芯当前迭代步进口温度，T_{core,inlet,previous}为堆芯上一迭代步进口温度，T_{core,outlet,present}为堆芯当前迭代步出口温度，T_{core,outlet,previous}为堆芯上一迭代步出口温度，T_{ihx,inlet,present}中间热交换器当前迭代步进口温度，T_{ihx,inlet,previous}中间热交换器上一迭代步进口温度， T_{ihx,outlet,present}为中间热交换器当前迭代步出口温度，T_{ihx,outlet,previous}为中间热交换器上一迭代步出口温度，T_{dhx,inlet,present}独立热交换器当前迭代步进口温度，T_{dhx,inlet,previous}独立热交换器上一迭代步进口温度，- T_{dhx,outlet,present}为独立热交换器当前迭代步出口温度，T_{dhx,outlet,present}为独立热交换器上一迭代步出口温度。

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