CN113486483B - 一种反应堆小破口多维度耦合分析方法 - Google Patents

一种反应堆小破口多维度耦合分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反应堆小破口多维度耦合分析方法，步骤如下：1、建立带有小破口的压力壳流体域几何模型，并进行节点划分；2、建立安全壳几何模型，并进行网格划分；3、设置边界条件以及初始条件，并计算T0时刻压力壳流体域参数；4、将Tn时刻计算得到的压力壳流体域参数作为安全壳流体域输入参数，得到Tn+1时刻安全壳流体域参数；5、将Tn+1时刻安全壳计算结果作为压力壳边界条件，计算Tn+1时刻压力壳流体域参数；6、重复步骤3至5，迭代计算到设定的终止时间，计算停止；本发明的方法可以应用于反应堆小破口事故下安全壳与压力壳间的多维度耦合分析计算，对核反应堆的设计与安全分析具有重要意义。

Description

一种反应堆小破口多维度耦合分析方法
技术领域
本发明属于方法发明技术领域，具体涉及一种反应堆小破口多维度耦合分析方法。
背景技术
反应堆小破口事故指由于反应堆中冷却剂管道(部件)出现破口，导致冷却剂丧失速率大于补给速率时的冷却剂丧失事故。事故严重程度与破口位置、破口尺寸等影响因素有关。反应堆冷却系统由于冷却剂减少会引起的后果，包括压力下降、堆芯冷却恶化、冷却剂泄漏到安全壳和潜在的放射性向工厂外的泄漏。因此开展小破口事故分析将具有重要意义。
对此事故当前通常采用系统程序和安全壳分析程序开展独立分析，此方法可以获得相对保守的计算结果。但对于先紧压水堆而言，其采用大量非能动装置，事故过程中需耦合压力壳与安全壳内部过程，以了解事故下二者的相互影响。
采用一维系统程序与三维计算流体力学程序耦合方法对反应堆小破口事故开展耦合分析，将有助于对反应堆小破口事故下压力壳内的三维热工水力特性开展分析。开展实时耦合数据更新迭代将更好地反应真实物理过程。本文这提出的分析方法可以为反应堆小破口事故多维度耦合分析提供方法参考。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种反应堆小破口多维度耦合分析方法，该方法将一维系统分析程序(经过二次开发，修改子程序)、三维流体力学分析程序(经过二次开发，用户自定义文件)通过数据接口程序耦合起来，完整而准确地模拟反应堆小破口事故下安全壳与压力壳耦合热工水力过程。
为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种反应堆小破口多维度耦合分析方法，包括以下步骤：
步骤1：在反应堆热工水力系统分析程序中根据压力壳几何结构参数建立几何模型，得到带有小破口的压力壳高压水-空气流体域几何模型，并将小破口位置确定为数据交互的耦合面；具体地，对压力壳高压水-空气流体域几何模型进行节点划分，并设置边界条件和初始条件，基于简化目的，在计算中压力壳高压水-空气流体域几何模型被处理为边界存在小破口的圆柱体，并将破口位置的控制体以及接管设置为耦合边界；
步骤2：获得安全壳的几何结构参数，在三维几何建模软件中对安全壳空气-水流体域进行建模，得到安全壳空气-水流体域几何模型；对安全壳空气-水流体域几何模型进行网格划分，并设置边界条件和初始条件，具体步骤如下：
步骤2-1：运用三维几何建模软件根据安全壳几何结构参数建立安全壳空气-水流体域几何模型，基于简化目的，在计算中安全壳空气-水流体域被处理为内部存在小破口的圆柱体；
步骤2-2：在步骤2-1获得的安全壳空气-水流体域几何模型的基础上进行网格划分，得到安全壳空气-水流体域网格模型；
步骤3：对反应堆热工水力系统分析程序以及计算流体动力学计算程序进行边界条件以及初始条件的设置，并根据T0时刻的初始条件进行计算，得到压力壳高压水-空气流体域中小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数；
步骤4：将Tn时刻反应堆热工水力系统分析程序计算得到的压力壳高压水-空气流体域小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数作为安全壳空气-水流体域计算时的输入参数，作为计算流体动力学计算程序的入口条件，计算得到Tn+1时刻安全壳空气-水流体域内部热工水力参数分布，包括温度、压力、组分浓度以及物性参数，其中n＝0、1、2……，具体步骤如下：
步骤4-1：将Tn时刻反应堆热工水力系统分析程序计算得到的压力壳高压水-空气流体域小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数作为安全壳空气-水流体域输入参数，作为计算流体力学软件的入口条件；
步骤4-2：将安全壳空气-水流体域网格模型的侧壁面以及上下底面设置为壁面边界，依据真实事故条件将其设置为恒定壁面温度边界；
步骤4-3：通过求解混合物的质量、动量、能量及组分输运方程，得到安全壳内部空气-水流体域的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场，求解组分浓度场的组分输运方程为：
Figure BDA0003158357140000031
方程(1)为组分输运方程的具体形式，其中：
ρ——混合物的密度，kg/m3；
Yi——混合物中的第i相质量份额，％；
Figure BDA0003158357140000041
——混合物的速度，m/s；
t——时间,s；
Di,m——混合物中第i相的层流扩散系数m2·s-1；
Di,t——混合物中第i相的湍流扩散系数m2·s-1；
步骤4-4：以步骤4-3中获得的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场为基础，得到高压水由于压力突降造成的蒸发质量，以及蒸汽受到低温壁面冷却的冷凝质量，并进一步更新得到的安全壳内部空气-水流体域的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场；具体地，蒸发质量和冷凝质量计算如下：
Figure BDA0003158357140000042
Figure BDA0003158357140000043
当流体温度大于饱和温度时，有：
Figure BDA0003158357140000044
当流体温度小于饱和温度时，有：
Figure BDA0003158357140000045
式中：
αv——蒸汽份额；
ρv——蒸汽的密度，kg/m3；
Figure BDA0003158357140000051
——蒸汽速度，m/s；
Figure BDA0003158357140000052
——蒸汽速度，m/s；
αl——液态水份额；
ρv——水的密度，kg/m3；
Figure BDA0003158357140000053
——蒸发质量，kg；
Figure BDA0003158357140000054
——冷凝质量，kg；
Tsat——饱和温度，K；
Tl——液态水温度，K；
Tg——蒸汽温度，K；
coeff——蒸发冷凝系数；
步骤5：将Tn+1时刻安全壳空气-水流体域内部温度、压力作为压力壳高压水-空气流体域小破口处出口边界条件，由反应堆热工水力系统分析程序计算Tn+1时刻压力壳高压水-空气流体域热工水力参数，包括小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数；
步骤6：重复步骤3至5，通过模型间的数据传递与反馈，迭代计算到设定的终止时间，计算停止。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.该方法提供了一种核反应堆小破口事故多维度耦合方案，该方法适用于现有的大多数计算流体学计算程序，如FLUENT、CFX等，以及反应堆热工水力系统分析程序RELAP等。
2.该方法基于多维度耦合方法和相应的数值模拟手段，通过压力场、温度场、以及混合物份额的交互耦合，在模拟流体侧压力壳内部高压水-空气流体域一维流动换热特性的同时，对安全壳内部空气-水流体域三维流动换热特性开展模拟，实现反应堆小破口事故下多维度耦合分析。
3.该方法沿用了反应堆热工水力系统分析程序和计算流体力学程序原有的建模方式，可根据各程序的特性对压力壳高压水-空气流体域与安全壳内部空气-水流体域进行分别建模，简单方便。
本发明提出的反应堆小破口多维度耦合分析方法，可以采取不同的几何结构参数，还可以通过修改边界条件和初始条件进行多种瞬态事故工况的计算。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为压力壳区域简化网格模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种如图1所示反应堆小破口多维度耦合分析方法，具体方法如下：
步骤1：在反应堆热工水力系统分析程序RELAP5中根据压力壳实际几何结构以及尺寸参数建立几何模型，得到带有小破口的压力壳高压水-空气流体域几何模型，并将小破口位置确定为数据交互的耦合面；具体地，对压力壳高压水-空气流体域几何模型进行节点划分，并设置边界条件和初始条件，基于简化目的，在计算中压力壳高压水-空气流体域几何模型被处理为边界存在小破口的圆柱体，并将破口位置的控制体以及接管设置为耦合边界；
步骤2：获得安全壳的几何结构参数，在三维几何建模软件SOLIDWORKS中对安全壳空气-水流体域进行建模，得到安全壳空气-水流体域几何模型；对安全壳空气-水流体域几何模型进行网格划分，包括全局网格以及边界层网格，并设置边界条件和初始条件，具体步骤如下：
步骤2-1：运用三维几何建模软件SOLIDWORKS根据安全壳几何结构参数建立安全壳空气-水流体域几何模型，基于简化目的，在计算中安全壳空气-水流体域被处理为内部存在小破口的圆柱体；
步骤2-2：在步骤2-1获得的安全壳空气-水流体域几何模型的基础上利用网格划分软件ANSYS-ICEM进行网格划分，得到安全壳空气-水流体域网格模型，如图2所示；
步骤2-3：将步骤2-2获得的安全壳空气-水流体域网格模型导入计算流体力学软件ANSYS-FLUENT，将小破口位置设置为安全壳空气-水流体域入口，并设置初始温度、压力、入口流速以及组分浓度；
步骤3：对反应堆热工水力系统分析程序以及计算流体动力学计算程序进行边界条件以及初始条件的设置，并在反应堆热工水力系统分析程序RELAP5中根据T0时刻的初始条件进行计算，得到压力壳高压水-空气流体域中小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数；
步骤4：将Tn时刻反应堆热工水力系统分析程序RELAP5计算得到的压力壳高压水-空气流体域小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数作为安全壳空气-水流体域计算时的输入参数，作为计算流体动力学计算程序ANSYS-FLUENT的入口条件，计算得到Tn+1时刻安全壳空气-水流体域内部热工水力参数分布，包括温度、压力、组分浓度以及物性参数，其中n＝0、1、2……，具体步骤如下：
步骤4-1：将Tn时刻反应堆热工水力系统分析程序RELAP5计算得到的压力壳高压水-空气流体域小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数作为安全壳空气-水流体域输入参数，作为计算流体力学软件的入口条件；
步骤4-2：将安全壳空气-水流体域网格模型导入计算流体动力学计算程序ANSYS-FLUENT，并将网格模型侧壁面以及上下底面设置为壁面边界，依据真实事故条件将其设置为恒定壁面温度边界；
步骤4-3：通过求解混合物的质量、动量、能量及组分输运方程，得到安全壳内部空气-水流体域的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场，求解组分浓度场的组分输运方程为：
Figure BDA0003158357140000081
方程(1)为组分输运方程的具体形式，其中：
ρ——混合物的密度，kg/m3；
Yi——混合物中的第i相质量份额，％；
Figure BDA0003158357140000082
——混合物的速度，m/s；
t——时间,s；
Di,m——混合物中第i相的层流扩散系数m2·s-1；
Di,t——混合物中第i相的湍流扩散系数m2·s-1；
步骤4-4：以步骤4-3中获得的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场为基础，得到高压水由于压力突降造成的蒸发质量，以及蒸汽受到低温壁面冷却的冷凝质量，并进一步更新得到的安全壳内部空气-水流体域的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场；具体地，蒸发质量和冷凝质量计算如下：
Figure BDA0003158357140000091
Figure BDA0003158357140000092
当流体温度大于饱和温度时，有：
Figure BDA0003158357140000093
当流体温度小于饱和温度时，有：
Figure BDA0003158357140000094
式中：
αv——蒸汽份额；
ρv——蒸汽的密度，kg/m3；
Figure BDA0003158357140000095
——蒸汽速度，m/s；
Figure BDA0003158357140000096
——蒸汽速度，m/s；
αl——液态水份额；
ρv——水的密度，kg/m3；
Figure BDA0003158357140000097
——蒸发质量，kg；
Figure BDA0003158357140000101
——冷凝质量，kg；
Tsat——饱和温度，K；
Tl——液态水温度，K；
Tg——蒸汽温度，K；
coeff——蒸发冷凝系数；
步骤5：将Tn+1时刻安全壳空气-水流体域内部温度、压力作为压力壳高压水-空气流体域小破口处出口边界条件，由反应堆热工水力系统分析程序RELAP计算Tn+1时刻压力壳高压水-空气流体域热工水力参数，包括小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数；
步骤6：重复步骤3至5，通过模型间的数据传递与反馈，实现计算域更新，迭代计算到设定的终止时间，计算停止。

Claims (1)

1.一种反应堆小破口多维度耦合分析方法，其特征在于：针对反应堆小破口中的热工水力现象，由不同的反应堆热工水力分析程序包括计算流体动力学计算程序、反应堆热工水力系统分析程序通过压力壳与安全壳之间实时双向的数据传递，实现耦合计算；
该方法包括以下步骤：
步骤1：在反应堆热工水力系统分析程序中根据压力壳几何结构参数建立几何模型，得到带有小破口的压力壳高压水-空气流体域几何模型，并将小破口位置确定为数据交互的耦合面；具体地，对压力壳高压水-空气流体域几何模型进行节点划分，并设置边界条件和初始条件，基于简化目的，在计算中压力壳高压水-空气流体域几何模型被处理为边界存在小破口的圆柱体，并将破口位置的控制体以及接管设置为耦合边界；
步骤2：获得安全壳的几何结构参数，在三维几何建模软件中对安全壳空气-水流体域进行建模，得到安全壳空气-水流体域几何模型；对安全壳空气-水流体域几何模型进行网格划分，并设置边界条件和初始条件，具体步骤如下：
步骤2-1：运用三维几何建模软件根据安全壳几何结构参数建立安全壳空气-水流体域几何模型，基于简化目的，在计算中安全壳空气-水流体域被处理为内部存在小破口的圆柱体；
步骤2-2：在步骤2-1获得的安全壳空气-水流体域几何模型的基础上进行网格划分，得到安全壳空气-水流体域网格模型；
步骤3：对反应堆热工水力系统分析程序以及计算流体动力学计算程序进行边界条件以及初始条件的设置，并根据T0时刻的初始条件进行计算，得到压力壳高压水-空气流体域中小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数；
步骤4：将Tn时刻反应堆热工水力系统分析程序计算得到的压力壳高压水-空气流体域小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数作为安全壳空气-水流体域计算时的输入参数，作为计算流体动力学计算程序的入口条件，计算得到Tn+1时刻安全壳空气-水流体域内部热工水力参数分布，包括温度、压力、组分浓度以及物性参数，其中n＝0、1、2……，具体步骤如下：
步骤4-1：将Tn时刻反应堆热工水力系统分析程序计算得到的压力壳高压水-空气流体域小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数作为安全壳空气-水流体域输入参数，作为计算流体力学软件的入口条件；
步骤4-2：将安全壳空气-水流体域网格模型的侧壁面以及上下底面设置为壁面边界，依据真实事故条件将其设置为恒定壁面温度边界；
步骤4-3：通过求解混合物的质量、动量、能量及组分输运方程，得到安全壳内部空气-水流体域的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场，求解组分浓度场的组分输运方程为：
Figure FDA0003813296470000021
方程(1)为组分输运方程的具体形式，其中：
ρ——混合物的密度，kg/m3；
Yi——混合物中的第i相质量份额，％；
Figure FDA0003813296470000031
——混合物的速度，m/s；
t——时间,s；
Di,m——混合物中第i相的层流扩散系数m2·s-1；
Di,t——混合物中第i相的湍流扩散系数m2·s-1；
步骤4-4：以步骤4-3中获得的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场为基础，得到高压水由于压力突降造成的蒸发质量，以及蒸汽受到低温壁面冷却的冷凝质量，并进一步更新得到的安全壳内部空气-水流体域的混合物速度场、温度场、压力场以及组分浓度场；具体地，蒸发质量和冷凝质量计算如下：
Figure FDA0003813296470000032
Figure FDA0003813296470000033
当流体温度大于饱和温度时，有：
Figure FDA0003813296470000034
当流体温度小于饱和温度时，有：
Figure FDA0003813296470000035
式中：
αv——蒸汽份额；
ρv——蒸汽的密度，kg/m3；
Figure FDA0003813296470000036
——蒸汽速度，m/s；
Figure FDA0003813296470000041
——液态水速度，m/s；
αl——液态水份额；
ρl——水的密度，kg/m3；
Figure FDA0003813296470000042
——蒸发质量，kg；
Figure FDA0003813296470000043
——冷凝质量，kg；
Tsat——饱和温度，K；
Tl——液态水温度，K；
Tv——蒸汽温度，K；
coeff——蒸发冷凝系数；
步骤5：将Tn+1时刻安全壳空气-水流体域内部温度、压力作为压力壳高压水-空气流体域小破口处出口边界条件，由反应堆热工水力系统分析程序计算Tn+1时刻压力壳高压水-空气流体域热工水力参数，包括小破口处出口流体温度、流速、组分浓度以及物性参数；
步骤6：重复步骤3至5，通过模型间的数据传递与反馈，迭代计算到设定的终止时间，计算停止。
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