CN112052579A - 一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于浮动网格的核‑热‑力多物理耦合计算方法，包括建立燃料棒几何模型，进行核‑热‑力多物理迭代计算流程，开展平面传热计算、平面力学计算和平面中子输运计算和进行轴向一维中子扩散计算。本发明基于可以变形的浮动网格耦合求解中子学、热工水力、机械力学问题，模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的热传导、机械变形、中子输运、核素燃耗等行为，同时获取燃料棒的温度、应力、变形、棒内压力、中子群通量、功率、燃耗、同位素密度等多物理状态。
Description
技术领域
本发明属于核电数值模拟技术领域，特别是涉及模拟燃料棒在反应堆内多物理耦合状态的技术。
背景技术
核燃料棒在反应堆内极端条件(高温、高压、强辐照)下产生的物理现象和物理过程十分复杂。尽管如此，在现象学研究的基础上，根据对燃料棒行为、现象的研究和理解，可以把燃料棒的多物理问题归结为传热问题、力学问题、中子学问题以及化学腐蚀问题。其中，由于化学腐蚀的变化非常缓慢，数值模拟比较困难，暂不考虑。传热问题研究冷却剂和燃料棒的温度分布，力学问题研究芯块和包壳的变形和应力分布，中子学问题研究中子通量密度分布、功率分布和燃耗分布。这三个问题虽然分属不同的学科领域，但相互之间存在不可忽略的耦合效应。其耦合关系主要表现为：燃料棒的轴向功率分布影响流道内冷却剂的纵向温度分布，进而影响燃料棒内部的平面温度分布；温度场的变化影响热膨胀等变形效应，并改变应力场；温度、应力、几何位置的变化又使材料物性发生改变，反馈到物理方程中，导致中子通量密度分布、功率分布随之改变；最后，由于燃料棒的功率分布发生了变化，再度影响温度分布。这三个问题的解，也就是温度、位移、应力应变和中子通量密度，共同主导了燃料棒的基本物理状态和变化规律。它们互为因果，相互影响，共同构成了燃料棒多物理耦合问题。
在传统反应堆设计中，不会同时考虑完整的多物理耦合，而是通过一些假设，使热传导问题、力学问题和中子学问题部分脱耦然后分别计算求解。计算工具包括热工水力设计程序、燃料性能分析程序和中子物理计算程序等，它们之间不产生即时、双向的信息交换。于是，复杂的多物理耦合问题就被分解为几个较简单的独立问题，求解所需的计算量大大减少。在计算资源较贫乏的年代，这种学科之间相互独立的反应堆设计方法的确具有重要意义。但同时也注意到，单一设计程序的结果并不能完全反映堆内复杂的多物理状态，计算量的减少来源于反应堆物理模型的简化、计算精度的降低。为了保证程序的计算结果保守，最终要以牺牲核电厂的经济性为代价。随着计算机技术的发展，计算能力的提高，利用多物理耦合技术来研究反应堆中复杂现象的条件也越来越成熟。
本发明涉及一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法，该方法为燃料棒模型建立可以变形的浮动网格，基于该网格耦合求解中子学、热工水力、机械力学问题，模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的热传导、机械变形、中子输运、核素燃耗等行为，同时获取燃料棒的温度、应力、变形、棒内压力、中子群通量、功率、燃耗、同位素密度等多物理状态。
发明内容
本发明的目的是为燃料棒性能分析提供一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法，该方法为燃料棒模型建立可以变形的浮动网格，基于该网格耦合求解中子学、热工水力、机械力学问题，模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的热传导、机械变形、中子输运、核素燃耗等行为，同时获取燃料棒的温度、应力、变形、棒内压力、中子群通量、功率、燃耗、同位素密度等多物理状态。其方法如下：
建立燃料棒几何模型：先在燃料棒轴向上划分为若干层离散结构，其中每一层再在水平方向上分别划分为独立的二维有限元网格；
进行核-热-力多物理迭代计算流程：从轴向冷却剂温度计算开始，根据能量守恒原则，由进口冷却剂温度和燃料线功率密度计算得到所述轴向冷却剂温度分布，再通过壁面流体对流传热计算得到包壳外表面轴向温度分布，作为平面传热计算中将作为边界条件使用；
开展平面传热计算、平面力学计算和平面中子输运计算：依次对每一层轴向离散结构得到温度、位移、功率等物理量的平面分布；所述平面传热计算后更新温度分布，受温度影响的材料物性参数、反应截面、热膨胀变形会随之变化，进而反馈到后续计算中；所述平面力学计算后更新单元轴向变形，然后对整个平面作均匀化处理，得到轴向离散结构的平均轴向变形，在轴向中子扩散计算中将作为几何条件使用；所述轴向中子扩散计算后更新轴向功率分布，在下一次迭代的轴向冷却剂温度计算中将作为条件使用；所述平面中子输运计算后更新功率分布，据此求出更新后的芯块发热率，在所述平面传热计算中将作为内热源条件使用；
进行轴向一维中子扩散计算：求得功率轴向偏移，并判断轴向偏移是否收敛；若轴向偏移不收敛则返回迭代开始，重复执行以上步骤；若收敛则计算完成，即可同时获取温度、应力、变形、棒内压力、中子群通量、功率、燃耗、同位素密度等多物理状态参数计算结果。
优选的，所述平面传热计算和所述平面力学计算采用有限元方法，所述平面中子输运计算采用特征线方法。
本发明为燃料棒性能分析提供一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法。采用该方法，可以精确模拟燃料棒在堆内的核-热-力多物理过程。相比传统反应堆设计中不完全耦合的计算方法，该方法可以提高计算精度，并能进一步揭示反应堆内复杂的物理现象。
附图说明
图1为“2+1”维几何模型示意图；
图2为多物理耦合迭代流程图；
图3为多物理耦合计算结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
下面利用本发明所述方法针对某1000MWe级核电站压水堆的典型燃料棒进行核-热-力多物理耦合计算。
该反应堆的核功率为1000MWe，系统压力为15.5MPa，；冷却剂入口流量为15170kg/s，冷却剂入口温度为290℃。反应堆堆芯共有157盒燃料组件，每盒组件中共有264根燃料棒。该典型燃料棒基于正方形栅元，采用UO2芯块、Zirlo锆合金包壳，间隙填充氦气，芯块直径、包壳内外径、栅距分别为0.8192，0.8357，0.95，1.26cm，有效高度为426.72cm。
针对上述典型燃料棒，实施基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算的具体步骤如下：
1)首先对其进行几何建模，在轴向上将其均匀划分为10层，每层高度为42.672cm，再依次将每一层划分为独立的二维网格，如图1所示。
2)进入核-热-力多物理迭代计算流程，依次开展轴向冷却剂温度计算、平面传热计算、平面力学计算、平面中子输运计算、轴向一维中子扩散计算，当轴向偏移收敛则迭代结束，如图2所示。
3)将计算结果进行可视化处理，如图3所示。相比传统计算方法，核-热-力多物理耦合计算方法所得结果更加精细、全面，适合开展多物理过程分析。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (2)
1.一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法，其特征在于，其方法如下：
建立燃料棒几何模型：先在燃料棒轴向上划分为若干层离散结构，其中每一层再在水平方向上分别划分为独立的二维有限元网格；
进行核-热-力多物理迭代计算流程：从轴向冷却剂温度计算开始，根据能量守恒原则，由进口冷却剂温度和燃料线功率密度计算得到所述轴向冷却剂温度分布，再通过壁面流体对流传热计算得到包壳外表面轴向温度分布，作为平面传热计算中将作为边界条件使用；
开展平面传热计算、平面力学计算和平面中子输运计算：依次对每一层轴向离散结构得到温度、位移、功率等物理量的平面分布；所述平面传热计算后更新温度分布，受温度影响的材料物性参数、反应截面、热膨胀变形会随之变化，进而反馈到后续计算中；所述平面力学计算后更新单元轴向变形，然后对整个平面作均匀化处理，得到轴向离散结构的平均轴向变形，在轴向中子扩散计算中将作为几何条件使用；所述轴向中子扩散计算后更新轴向功率分布，在下一次迭代的轴向冷却剂温度计算中将作为条件使用；所述平面中子输运计算后更新功率分布，据此求出更新后的芯块发热率，在所述平面传热计算中将作为内热源条件使用；
进行轴向一维中子扩散计算：求得功率轴向偏移，并判断轴向偏移是否收敛；若轴向偏移不收敛则返回迭代开始，重复执行以上步骤；若收敛则计算完成，即可同时获取温度、应力、变形、棒内压力、中子群通量、功率、燃耗、同位素密度等多物理状态参数计算结果。
2.如权利要求1所述的一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法，其特征在于，所述平面传热计算和所述平面力学计算采用有限元方法，所述平面中子输运计算采用特征线方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 29 Hong Cao Road, Xuhui District, Shanghai Applicant after: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.,Ltd. Address before: No. 29 Hong Cao Road, Xuhui District, Shanghai Applicant before: SHANGHAI NUCLEAR ENGINEERING RESEARCH & DESIGN INSTITUTE Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201208 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |