CN112231990A - 一种核动力系统一二回路耦合计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核动力系统一二回路耦合计算方法，步骤如下：1、建立反应堆蒸汽发生器的三维几何模型并划分网格，建立核反应堆一二回路一维简化模型；2、使用计算流体动力学软件设置蒸汽发生器几何模型的初始边界条件和计算域初始状态；3、计算流体动力学软件对蒸汽发生器模型进行计算，得到计算结果，将计算结果传递给系统分析程序，作为系统分析程序此时间步长的边界条件；4、系统分析程序对一二回路模型进行计算，得到计算结果，将计算结果传递给计算流体动力学软件，作为计算流体动力学软件下一时间步长计算时的边界条件；5、重复步骤3、步骤4，直至反应堆系统模型完成全时段的计算。完成对反应堆系统多维度、全系统高保真的耦合分析。

Description

一种核动力系统一二回路耦合计算方法

技术领域

本发明属于核反应堆系统技术领域，具体涉及到一种核动力系统一二回路耦合计算方法。

背景技术

蒸汽发生器是核反应堆系统中连接一二回路的重要设备，具有在正常运行和某些事故工况下将一回路热量传递给二回路的重要功能，是一二回路耦合计算实现的重点。对蒸汽发生器的分析方法有使用系统分析程序和计算流体动力学程序两种。系统分析程序一般对一回路进行整体一维建模，蒸汽发生器使用集总参数模型或分布参数模型，根据蒸汽流量、给水流量等因素设置与二回路相连部分的边界条件，其计算结果能够反映出在稳态和事故工况下蒸汽发生器的流动传热特性，但对蒸汽发生器内部自由体积较大的空间，如入口腔室、出口腔室、蒸气室等结构，不能得出比较好的模拟结果。计算流体动力学软件受到计算条件的限制一般只对蒸汽发生器进行整体三维建模，使用雷诺平均NS模型、大涡模拟、分离涡等湍流求解模型，边界条件使用系统分析程序的拟合结果，被动接受一二回路工况变化，无法将计算结果传递回系统分析程序。

综上所述，耦合程序结合了系统分析程序和计算流体动力学软件的优点，能够得出蒸汽发生器在一二回路复杂工况下的详细热工水力信息，同时一二回路的系统分析程序接受蒸汽发生器进出口的准确信息，能够得出系统行为的最佳估算，计算结果与实验值符合得更好。故本发明针对蒸汽发生器在核反应堆一二回路中的热工水力分析具有重要的参考价值和指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核动力系统一二回路耦合计算方法，该方法结合了系统分析程序计算效率高和计算流体动力学软件计算准确的特点，能够在同时考虑一二回路影响因素下对蒸汽发生器进行耦合计算，完成对反应堆系统多维度、全系统高保真的耦合分析。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种核动力系统一二回路耦合计算方法，在使用计算流体动力学软件对蒸汽发生器的流动换热特性分析时，耦合程序使用区域重叠法进行建模，其中计算流体动力学软件通过与系统分析程序在蒸汽发生器与一二回路的两个进口与两个出口处进行数据传递，实现跨纬度耦合，能够考虑一二回路系统工况变化对蒸汽发生器计算结果的影响；包括以下步骤：

步骤1：建立蒸汽发生器的几何模型，包含入口腔室、U型管、出口腔室、给水管、上升段、汽水分离器、蒸汽室和下降段，得到几何模型后进行网格划分；建立一二回路系统的节点图，并按节点图填写系统分析程序的输入卡片，一回路包括压力容器、热腿、蒸汽发生器、稳压器、蒸汽发生器一次侧部分、阀门、冷却水泵和冷腿，二回路包括蒸汽发生器二次侧部分、汽水分离再热器、汽轮机、凝汽器、凝结水泵、低压给水加热器、除氧器、给水泵和高压给水加热器；

步骤2：根据设计工况使用计算流体动力学软件选择蒸汽发生器求解计算时的湍流模型、传热模型、多相流模型和组分输运模型，设置T₀时刻(即初始时刻)的边界条件和计算域的初始状态；

步骤3：计算流体动力学软件根据T_n(n＝0、1、2、3……)时刻的边界条件对蒸汽发生器模型进行一个时间步长的计算，将计算结果传递给系统分析程序，作为系统分析程序T_n时刻的边界条件，包括分别将蒸汽发生器入口腔室入口处和出口腔室出口处的温度、压力、冷却剂流速和硼浓度传递给一回路系统热腿出口处和冷腿入口处，分别将蒸汽发生器给水管入口处和蒸汽室蒸汽出口处的温度、压力、流体流速、蒸汽流速和空泡份额传递给二回路系统给水管道出口处和主蒸汽管道入口处；

步骤4：系统级分析程序根据T_n时刻的边界条件对一二回路模型进行一个时间步长的计算，将计算结果传递给计算流体动力学软件，作为计算流体动力学软件T_n+1时刻的边界条件，包括分别将一回路系统热腿出口处和冷腿入口处的温度、压力、冷却剂流速和硼浓度传递给蒸汽发生器入口腔室入口处和出口腔室出口处，分别将二回路系统给水管道出口处和主蒸汽管道入口处的温度、压力、流体流速、蒸汽流速和空泡份额传递给蒸汽发生器给水管入口处和蒸汽室蒸汽出口处；

步骤5：重复步骤3、步骤4，直至核动力系统的一二回路模型和蒸汽发生器模型完成全时段的计算，完成蒸汽发生器在核反应堆系统一二回路的跨维度耦合。

本发明提出的耦合分析方法适用于同时考虑一二回路工况对蒸汽发生器的影响，与现有直接对蒸汽发生器的分析方法相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明使用系统分析程序同时对反应堆一二回路进行建模计算，在保障计算效率的同时为蒸汽发生器两处入口、两处出口提供更加精准的边界条件，有利于准确分析一二回路工况变化对蒸汽发生器的影响；

2.本发明使用区域重叠法的区域划分方法进行系统模型建立，系统分析程序拥有完整回路，在瞬态工况的计算过程中收敛性表现较好；

3.本发明使用计算流体动力学软件对蒸汽发生器进行蒸汽三维建模，能够重点分析U型管内冷却剂和二回路给水的流动换热特性，提高反应堆安全分析的准确性；

4.本发明中数据传递发生在每一个时间步长计算结束后，能够在每一时间步长内均进行耦合，重新设置边界条件，保障计算精度；

5.本发明在维持不同维度程序完整性的前提下完成耦合，适用于现有的大多数热工水力分析程序，便于耦合的实现与计算模型与模拟条件的修改。

附图说明

图1为本发明耦合计算方法的一种具体耦合过程示意图。

图2为本发明耦合计算方法对一二回路系统和蒸汽发生器建模示意图。

具体实施方式

下面以计算流体动力学软件通过用户自定义函数功能调用系统分析程序实现耦合分析为例，选取显式耦合方法与区域重叠的区域划分方法，结合图1的耦合过程示意图与图2的建模示意图进行进一步描述：

本发明提供了一种核动力系统一二回路耦合计算方法，图1给出耦合过程的示意图，图中实线框中为系统程序计算域，虚线框中为计算流体动力学软件的计算域，耦合具体方法如下：

步骤1：使用几何模型建立软件对蒸汽发生器的内部构件进行三维建模，忽略细小结构，只对主要结构进行建模分析，如图2中虚线框中内容所示，主要结构包含入口腔室、U型管、出口腔室、给水管、上升段、汽水分离器、蒸汽室和下降段，得到几何模型后使用网格划分工具以六面体网格进行划分，生成非结构网格；对一二回路系统进行一维简化，建立节点图，并按节点图与实验工况填写输入卡片，如图2所示，一回路包括压力容器、热腿、蒸汽发生器、稳压器、蒸汽发生器一次侧、阀门、冷却水泵、冷腿等设备，二回路包括蒸汽发生器二次侧、汽水分离再热器、汽轮机、凝汽器、凝结水泵、低压给水加热器、除氧器、给水泵、高压给水加热器等设备；

步骤2：启动计算流体动力学软件，根据设计工况选择蒸汽发生器求解计算时的湍流模型、传热模型、多相流模型和组分输运模型，设置T₀时刻(即初始时刻)的边界条件和计算域的初始状态，编译用户自定义函数实现数据传递与在每一时间步长后调用系统分析程序的功能；

步骤3：计算流体动力学软件根据T_n(n＝0、1、2、3……)时刻的边界条件对蒸汽发生器模型进行一个时间步长的计算，将计算结果传递给系统分析程序，作为系统分析程序T_n时刻的边界条件，包括分别将蒸汽发生器入口腔室入口处和出口腔室出口处的温度、压力、冷却剂流速和硼浓度传递给一回路系统热腿出口处和冷腿入口处，分别将蒸汽发生器给水管入口处和蒸汽室蒸汽出口处的温度、压力、流体流速、蒸汽流速和空泡份额传递给二回路系统给水管道出口处和主蒸汽管道入口处；

步骤4：系统级分析程序根据T_n时刻的边界条件对一二回路模型进行一个时间步长的计算，将计算结果传递给计算流体动力学软件，作为计算流体动力学软件T_n+1时刻的边界条件，包括分别将一回路系统热腿出口处和冷腿入口处的温度、压力、冷却剂流速和硼浓度传递给蒸汽发生器入口腔室入口处和出口腔室出口处，分别将二回路系统给水管道出口处和主蒸汽管道入口处的温度、压力、流体流速、蒸汽流速和空泡份额传递给蒸汽发生器给水管入口处和蒸汽室蒸汽出口处；

步骤5：重复步骤3和步骤4，直至核动力系统一二回路模型和蒸汽发生器模型完成全时段的计算，完成蒸汽发生器在核反应堆系统一二回路中的跨维度耦合。

以上内容是针对具体方案对耦合方法的进一步阐述，未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种核动力系统一二回路耦合计算方法，其特征在于：在使用计算流体动力学软件对蒸汽发生器的流动换热特性分析时，耦合程序使用区域重叠法进行建模，其中计算流体动力学软件通过与系统分析程序在蒸汽发生器与一二回路的两个进口与两个出口处进行数据传递，实现跨纬度耦合，能够考虑一二回路系统工况变化对蒸汽发生器计算结果的影响；

该方法包含以下步骤：

步骤1：建立蒸汽发生器的几何模型，包含入口腔室、U型管、出口腔室、给水管、上升段、汽水分离器、蒸汽室和下降段，得到几何模型后进行网格划分；建立一二回路系统的节点图，并按节点图填写系统分析程序的输入卡片，一回路包括压力容器、热腿、蒸汽发生器、稳压器、蒸汽发生器一次侧部分、阀门、冷却水泵和冷腿，二回路包括蒸汽发生器二次侧部分、汽水分离再热器、汽轮机、凝汽器、凝结水泵、低压给水加热器、除氧器、给水泵和高压给水加热器；

步骤2：根据设计工况使用计算流体动力学软件选择蒸汽发生器求解计算时的湍流模型、传热模型、多相流模型和组分输运模型，设置T₀时刻即初始时刻的边界条件和计算域的初始状态；

步骤3：计算流体动力学软件根据T_n时刻的边界条件对蒸汽发生器模型进行一个时间步长的计算，其中n＝0、1、2、3……，将计算结果传递给系统分析程序，作为系统分析程序T_n时刻的边界条件，包括分别将蒸汽发生器入口腔室入口处和出口腔室出口处的温度、压力、冷却剂流速和硼浓度传递给一回路系统热腿出口处和冷腿入口处，分别将蒸汽发生器给水管入口处和蒸汽室蒸汽出口处的温度、压力、流体流速、蒸汽流速和空泡份额传递给二回路系统给水管道出口处和主蒸汽管道入口处；

步骤4：系统级分析程序根据T_n时刻的边界条件对一二回路模型进行一个时间步长的计算，将计算结果传递给计算流体动力学软件，作为计算流体动力学软件T_n+1时刻的边界条件，包括分别将一回路系统热腿出口处和冷腿入口处的温度、压力、冷却剂流速和硼浓度传递给蒸汽发生器入口腔室入口处和出口腔室出口处，分别将二回路系统给水管道出口处和主蒸汽管道入口处的温度、压力、流体流速、蒸汽流速和空泡份额传递给蒸汽发生器给水管入口处和蒸汽室蒸汽出口处；

步骤5：重复步骤3、步骤4，直至核动力系统的一二回路模型和蒸汽发生器模型完成全时段的计算，完成蒸汽发生器在核反应堆系统一二回路的跨维度耦合。

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