CN113657049B - 一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法 - Google Patents

一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113657049B
CN113657049B CN202110942689.XA CN202110942689A CN113657049B CN 113657049 B CN113657049 B CN 113657049B CN 202110942689 A CN202110942689 A CN 202110942689A CN 113657049 B CN113657049 B CN 113657049B
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat transfer
flow
fast reactor
reactor main
coolant system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110942689.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113657049A (zh
Inventor
陈广亮
苏少敏
李磊
张智刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN202110942689.XA priority Critical patent/CN113657049B/zh
Publication of CN113657049A publication Critical patent/CN113657049A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113657049B publication Critical patent/CN113657049B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G06F17/12—Simultaneous equations, e.g. systems of linear equations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G06F17/13—Differential equations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明提供了一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，包括：对池式钠冷快堆主冷却剂系统的流动与传热过程进行解耦建模，实现仿真建模层面上的并行化；对池式钠冷快堆主冷却剂系统的流动过程建模中去控制体化；对描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组进行非线性方程组解析化处理；传热过程与流动过程可以分开并行化应用不同的计算资源分别进行求解；再利用物性计算公式，通过所计算得到的压力与焓值对各控制体的物理参数更新；判断是否完成所要求时间长度内的仿真计算。本发明通过解耦建模、建模中去控制体化、求解中进行非线性方程组解析化处理等，提高了池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真计算效率。

Description

一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法
技术领域
本发明涉及池式钠冷快堆主冷却剂系统仿真技术领域，特别是涉及一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法。
背景技术
中国实验快堆是中国建设的第一座钠冷快堆，中国示范快堆是中国建设的第一座钠冷示范快堆。哈尔滨工程大学的核动力仿真研究中心(本单位)分别针对中国实验快堆与中国示范快堆主冷却剂系统开发了实时仿真系统。两座池式钠冷快堆主冷却系统的结构复杂，包括冷热钠池、堆芯、中间热交换器、独立热交换器、主泵、压力管、大小栅板联箱、石墨屏蔽管束、生物屏蔽支承筒、水平/竖直/环形隔板等设备及结构，在结构及运行特性上与国际广泛应用的压水堆存在显著差别。哈尔滨工程大学的核动力仿真研究中心分别针对两座池式快堆主冷却剂系统结构与运行特点，针对堆芯、中间热交换器、独立热交换器、冷热钠池、堆主容器冷却系统和泵支承冷却系统等对象，利用数百控制体建立了传热与流动仿真模型，并在仿真模型中建立与其它系统程序的接口，开发了仿真程序。仿真程序采用模块化原则，以Fortran语言编写，并与其它系统软件程序进行耦合仿真，能够实现实时与超实时计算仿真。
为提升池式快堆主冷却剂系统重要设备及流域的认知水平，需提高仿真空间分辨率，随着控制体数目的增多，仿真计算效率将会不断降低，为确保池式快堆主冷却剂系统具备足够的空间分辨率与计算效率，需要研究提高池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动计算效率的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，通过解耦建模、建模中去控制体化、求解中进行非线性方程组解析化处理等技术手段，大大提高了池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真计算效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，包括如下步骤：
步骤1，针对池式钠冷快堆主冷却剂系统的传热与流动特点，建立控制体划分图与系统流路图；
步骤2，依据步骤1所建立的控制体划分图，针对各控制体，建立能量守恒方程，形成用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组；
步骤3，依据步骤1中所建立的系统流路图，针对各支路，建立动量守恒方程；针对各支路的交汇节点，建立质量守恒方程，形成描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组；
步骤4，针对步骤3所建立的描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组进行非线性方程组解析化处理，得到各节点压力的解析表达式；
步骤5，基于步骤4中所获得的各节点压力的解析表达式，进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的迭代计算，获得描述流动过程的压力与流量分布数据；
步骤6，基于步骤2所获得的用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组，求解各控制体的传热过程参数；
步骤7，基于步骤5所获得的描述流动过程的压力与流量分布数据与步骤6所获得的各控制体的传热过程参数，再利用物性计算公式，对各控制体的物性参数更新，并判断流量计算与传热计算是否收敛，若未收敛，进入步骤5继续计算，若收敛，进入步骤8；
步骤8，判断是否完成所要求时间长度的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真计算，若没有完成，进入下一时间步的计算，假设新的流量，从步骤5开始新时间步的迭代计算；若已完成，池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真过程结束。
进一步的，所述步骤4，针对步骤3所建立的描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组进行非线性方程组解析化处理，得到各节点压力的解析表达式，具体包括：
步骤4-1，将描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组拆分成针对流体动量守恒的一阶非线性微分方程组和针对流体质量守恒的线性方程组；
步骤4-2：对流体质量守恒的线性方程组进行微分处理，获得质量守恒的微分方程组；
步骤4-3：利用动量守恒的一阶非线性微分方程组推导出各支路流量的微分项表达式，并代入到质量守恒的微分方程组中，将流量微分项消元，再将获得的方程组与质量守恒方程组整合成新的非线性方程组；
步骤4-4：假设本时间步的流量，将阻力系数中的非线性项消除，获得针对池式钠冷快堆主冷却剂系统各节点压力的线性方程组；
步骤4-5：利用所获得的各节点压力的线性方程组推导出各节点压力的解析表达式。
进一步的，所述步骤5中，基于步骤4中所获得的各节点压力的解析表达式，具体采用拟牛顿迭代法或其他数值算法进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的迭代计算，获得描述流动过程的压力与流量分布数据，具体包括：
在一个或一组计算节点下，进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的串行或并行迭代计算；
获得支路交汇处的压力与各支路的流量数据。
进一步的，所述步骤6中，基于步骤2所获得的用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组，求解各控制体的传热过程参数，具体包括：
利用Gear算法在与步骤5不同的另一个或另一组计算节点上求解各控制体的传热过程参数；
所述各控制体的传热过程参数包括各控制体的焓值、温度参数。
进一步的，所述步骤2中，用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组，具体包括：针对钠池内部传热特性的多个传热模型的方程组；
多个传热模型包括堆芯燃料元件导热模型、中间热交换器换热模型、氩气换热模型热、冷钠池传热模型、热钠池传热模型、冷-热钠池间传热模型、堆主容器及其附属部件导热模型。
进一步的，所述步骤5中，具体采用拟牛顿迭代法进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的迭代计算。
根据本发明提供的具体实施例，与现有技术相比，本发明提供的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法至少公开了以下技术效果：
(1)对池式钠冷快堆主冷却剂系统的流动与传热过程进行解耦建模，实现仿真建模层面上的并行化；在数值计算上，分别使用不同数值求解方法及计算资源计算两套方程组，并且重点是进行物理过程仿真建模的拆分，将整个物理过程拆分成两个相互耦合的子过程，使传热过程与流动过程可以分开并行化应用不同的计算资源分别进行求解，从而提高池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动过程仿真计算的效率；
(2)对池式钠冷快堆主冷却剂系统的流动过程建模中去控制体化；该方法能够将针对池式钠冷快堆主冷却剂系统多控制体的建模过程简化为针对钠池少数的流动支路与支路交汇点的建模过程，能够有效减少仿真建模与程序编写的工作量，并能有效减少仿真程序数值求解的计算量，进而有效提高仿真程序建模与计算分析效率；
(3)池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程数学方程组求解中进行非线性方程组解析化处理；本发明将流动过程所建立的一阶非线性微分方程组转化为线性方程组，并能根据线性方程组建立压力节点的解析求解公式，采用解析公式进行迭代计算将能节省大量的仿真时间，从而实现高效的仿真数学模型计算；
综上，本发明提供的仿真方法，大大提高了池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真计算效率，有利于程序调试人员加速进行各工况程序运行性能的检验，为电站操作员的培训加速不重要但占用大量时间的工况。所以，本发明既有利于程序的开发与调试的效率，又有利于池式快堆操作员的培训效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法的技术布局图；
图2为本发明实施例池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法的流程示意图；
图3为本发明实施例池式钠冷快堆主冷却剂系统流域控制体；
图4为本发明实施例池式钠冷快堆主冷却剂系统主要流动支路示意；
图5为本发明实施例池式钠冷快堆主冷却剂系统流动方程组处理过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，通过解耦建模、建模中去控制体化、求解中进行非线性方程组解析化处理等技术手段，大大提高了池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真计算效率。
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。
如图1至图2所示，本发明实施例提供的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，包括如下步骤：
步骤1，针对池式钠冷快堆主冷却剂系统的传热与流动特点，建立控制体划分图与系统流路图；控制体划分图如图3，其中N1～N70分别是各区域控制体划分的数目，可在不同研究中取不同的数值；系统的流路图如图4所示；
步骤2，依据步骤1所建立的控制体划分图，针对各控制体，建立能量守恒方程，形成用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组；
步骤3，依据步骤1中所建立的系统流路图，针对各支路，建立动量守恒方程；针对各支路的交汇节点，建立质量守恒方程，形成描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组；
步骤4，针对步骤3所建立的描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组进行非线性方程组解析化处理，得到各节点压力的解析表达式；如图5所示，具体包括：
步骤4-1，将描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组拆分成针对流体动量守恒的一阶非线性微分方程组和针对流体质量守恒的线性方程组；
步骤4-2：对流体质量守恒的线性方程组进行微分处理，获得质量守恒的微分方程组；
步骤4-3：利用动量守恒的一阶非线性微分方程组推导出各支路流量的微分项表达式，并代入到质量守恒的微分方程组中，将流量微分项消元，再将获得的方程组与质量守恒方程组整合成新的非线性方程组；
步骤4-4：假设本时间步的流量，将阻力系数中的非线性项消除，获得针对池式钠冷快堆主冷却剂系统各节点压力的线性方程组；
步骤4-5：利用所获得的各节点压力的线性方程组推导出各节点压力的解析表达式；
步骤5，基于步骤4中所获得的各节点压力的解析表达式，具体采用拟牛顿迭代法或其他数值算法进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的迭代计算，获得描述流动过程的压力与流量分布数据，具体包括：
在一个或一组计算节点下，进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的串行或并行迭代计算；
获得支路交汇处的压力与各支路的流量数据；
步骤6，基于步骤2所获得的用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组，求解各控制体的传热过程参数；其中，具体采用Gear算法或其他数值算法在当前时间步下，利用与步骤5不同的另一个或另一组计算节点求解各控制体的传热过程参数；所述各控制体的传热过程参数包括各控制体的焓值、温度等参数；
步骤7，基于步骤5所获得的描述流动过程的压力与流量分布数据与步骤6所获得的各控制体的传热过程参数，再利用物性计算公式，对各控制体的物性参数更新，并判断流量计算与传热计算是否收敛，若未收敛，进入步骤5继续计算，若收敛，进入步骤8；
步骤8，判断是否完成所要求时间长度的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真计算，若没有完成，进入下一时间步的计算，假设新的流量，从步骤5开始新时间步的迭代计算；若已完成，池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真过程结束。
其中，所述步骤2中，用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组，具体包括：针对钠池内部传热特性的多个传热过程的方程组；
所述步骤2的目的主要是池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程独立进行仿真模型及方程组建立，如图3所示，主要包括了堆芯燃料元件导热模型、中间热交换器换热模型、氩气换热模型热、冷钠池传热模型、热钠池传热模型、冷-热钠池间传热模型、堆主容器及其附属部件导热模型等传热模型。各模型及方程是针对钠池内部传热特性而建立的，形式并非本发明涉及内容，本发明涉及内容主要是池式钠冷快堆所有传热方程独立建立，并在后面的发明内容中进行独立求解。
其中，针对钠池内部传热特性的多个传热模型的方程组，包括：
1)堆芯燃料元件导热模型：
燃料芯块：
Figure BDA0003215722250000071
燃料包壳：
Figure BDA0003215722250000072
式中：ρ为密度，kg/m3；cp为比热容，J/(kg·K)；λu为燃料芯块热导率，W/(m·K)；λc为燃料包壳热导率，W/(m·K)；qv为燃料芯块功率密度，W/m3；T为温度，K；r为半径，m；脚标u，c分别代表燃料芯块和包壳。
2)中间热交换器换热模型
一次侧钠热平衡方程：
Figure BDA0003215722250000081
一次侧管壁热平衡方程：
Figure BDA0003215722250000082
二次侧管壁热平衡方程：
Figure BDA0003215722250000083
二次侧钠热平衡方程：
Figure BDA0003215722250000084
式中：do为导热管外径，m；di为导热管内径，m；cp为定压比热容，J/(kg·K)；λ为管壁热导率，W/(m·K)；W为冷却剂质量流量，kg/s；ρ为密度，kg/m3；T为温度，K；A为冷却剂通道截面积，m2；h为对流换热系数，W/(m2·K)；λna为钠的导热系数，W/(m·K)；脚标fo，fi，o，i，m分别表示管外冷却剂，管内冷却剂，管外壁，管内壁，控制体编号。
3)氩气换热模型：
Figure BDA0003215722250000085
式中：qin为单位时间进入氩气区控制体的热量，W；qout为单位时间离开氩气区控制体的热量，W。
4)热钠池传热模型：
热钠池内区：
Figure BDA0003215722250000091
热钠池外区：
Figure BDA0003215722250000092
式中：m为热钠池控制体质量，kg；q1为热钠池内区控制体与控制体外在单位时间内的换热量，W；q2为热钠池外区控制体与控制体外在单位时间内的换热量，W；脚标1，2分别代表热钠池内区控制体和外区控制体。
5)冷钠池传热模型：
Figure BDA0003215722250000093
式中：mc为冷钠池控制体质量，kg；Wc为冷钠池控制体净质量流量，kg/s；Tin为冷钠池控制体进口温度，K；Tout为冷钠池控制体出口温度，K；qc为冷钠池控制体与控制体外的换热量，W。
6)冷、热钠池间传热模型:
Figure BDA0003215722250000094
式中：K为传热系数，W/(m2·K)；δ为壁面厚度，m；Thot为热钠池平均温度，K；Tcold为冷钠池平均温度，K；α1为热钠池侧对流换热系数，W/(m2·K)；α2为冷钠池侧对流换热系数，W/(m2·K)。
7)堆主容器及其附属部件导热模型：
Figure BDA0003215722250000095
与热钠池侧的边界条件：
q1＝α1A1(TNa-Tb1) (13)
与堆坑空气侧的边界条件：
q2＝α2A2(Tb2-Tair) (14)
式中：Tb为与钠接触的壁温，K；TNa为热钠池径向边界上钠温，K；Tair为堆坑空气温度，K；脚标1，2分别表示钠侧和气侧。
所述步骤3的目的是池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程独立进行仿真模型及方程组建立；
示范快堆一回路为开式回路，栅板联箱、堆芯和热钠池为两个环路的公共段。主要通道分为2个闭式并联环路以及两条堆主容器冷却系统和泵支承冷却系统，每个环路在轴向上划分N个控制体，每个环路控制体截面积为Ai，长度为L。
对于每个控制体均满足动量守恒方程，沿环路长度L积分可得第i环路冷却剂流量瞬态变化方程：
Figure BDA0003215722250000101
式中：Pin为计算入口处压力，Pa；Pout为计算出口处压力，Pa；f为摩擦阻力系数；ξ为局部阻力系数；De为当量直径，m；z为轴向坐标，m。
上式左端为惯性压降，是由于流量瞬态变化引起的附加压降，右端分别包括加速压降、摩擦压降、重位压降和局部压降。
所述步骤3中，实现了对池式钠冷快堆主冷却剂系统的流动过程建模中去控制体化，具体包括：
1)池式钠冷快堆主冷却系统流路复杂，钠池中冷却剂流动过程建模中将每一条支路流道中的不同位置处理为具有相同的冷却剂流量，但不同位置具有不同的压力，重点考虑各支路端点与各支路不同位置的压力及支路阻力变化；
2)钠池中冷却剂流动过程建模中各流动支路在交汇位置处理为具有相同的压力，并重点对各支路中的流量进行建模，分析各支路的流量变化。
如图5所示，所述步骤4中，对池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程仿真建模求解的数学方程组进行非线性方程组解析化处理，具体包括：
1)由节点间质量守恒原理，建立的各支路流量方程组(16)：
Figure BDA0003215722250000111
将池式钠冷快堆主冷却剂系统动量方程导出的流量随时间的微分方程组(17)带入到质量方程的微分方程组(16)中，将描述流动过程的方程组中的流量随时间的微分项舍去，获得压力与流量的非线性方程组(18)。
Figure BDA0003215722250000112
式中：f为摩擦阻力系数；ξ为局部阻力系数；De为当量直径，m；z为轴向坐标，m；Ai为环路控制体截面积L为环路控制长度。
式中：Wi为第i条环路流量
Figure BDA0003215722250000121
2)针对压力与流量的非线性方程组(18)，假设本时间步的流量，将阻力系数中的非线性项消除，获得针对池式钠冷快堆主冷却剂系统各节点压力的线性方程组(19)：
Figure BDA0003215722250000122
3)推导出支路交汇处压力与假定支路流量间的解析关系式(20)。该解析式的利用是在步骤5中，在应用拟牛顿法或其他数值算法开展迭代计算中，当获得当前迭代步下的流量参数后，计算各支路阻力，并通过解析式高效直接计算出各交汇位置对应的压力，之后继续更新流量，直到流量与压力的数值在各支路交汇点满足质量守恒方程，在各支路满足动量守恒方程。
Figure BDA0003215722250000123
本发明步骤5和步骤6中，传热过程与流动过程所建立的仿真方程组的求解过程分别在两个或两组不同的计算节点(两组不同的计算资源)上进行数值求解方案设置。
本发明提供的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，具备如下有益效果：
(1)池式钠冷快堆主冷却系统中的传热过程与流动过程分别在不同的计算节点中进行建模与计算求解：
本发明在数值计算上，分别使用不同数值求解方法及计算资源计算两套方程组，本发明该处的重点是进行物理过程仿真建模的拆分，将整个物理过程拆分成两个相互耦合的子过程，使传热过程与流动过程可以分开并行化应用不同的计算资源分别进行求解，从而提高池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动过程仿真计算的效率；
由于池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程与流动过程中均需要各流域中工质的物性参数，例如，传热过程需要工质的比热等，流动过程需要工质的密度等。物性参数的确定需要两个状态参量，即通过两个物性参数可以获得其它物性参量，所以本发明通过传热方程的求解给出各流域的焓值(也可以是温度等参数)，通过流动方程组的求解给出各流域的压力，这样通过焓值(或温度)与压力即可推得各流域的其它物性参量。在传热与流动两物理过程的耦合仿真中，每步迭代中依靠前一迭代中的物性参数进行传热与流动方程组的求解，再通过计算出焓值与压力更新当前迭代步各流域对应的物性参数，并将其应用于下一步的迭代计算中。
(2)池式钠冷快堆主冷却剂系统的流动过程建模中去控制体化：
池式钠冷快堆在流量分布、压力分布、阻力分布受钠池结构与工况条件的影响，对压力与流量进行建模计算分析中不必针对每个控制体均建立质量与动量守恒方程来进行仿真计算，只需要针对每条支路建立动量守恒方程，针对每个支路交汇节点建立质量守恒方程。从而有效减少仿真建模以及仿真计算的效率。该方法能够将针对池式钠冷快堆主冷却剂系统多控制体的建模过程简化为针对钠池少数的流动支路与支路交汇点的建模过程，能够有效减少仿真建模与程序编写的工作量，并能有效减少仿真程序数值求解的计算量，进而有效提高仿真程序建模与计算分析效率。
(3)池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程数学方程组求解中进行非线性方程组解析化处理：
池式钠冷快堆主冷却剂系统中各支路冷却剂的流量影响该支路中冷却剂流动阻力(摩阻与形阻)大小，各支路阻力发生变化后，主冷却剂系统中的压力分布将会改变，而支路两端的压力变化后，支路中的流量随时间的一阶导数又将发生变化。而且，支路中的阻力与支路中的流量的二次方相关。这样描述主冷却剂系统中流量分布、压力分布的数学方程为一阶非线性微分方程组。
为反映冷却剂在池式钠冷快堆主冷却系统中的流动过程，流动方程组需要进行高频次的调用，本发明将流动过程所建立的一阶非线性微分方程组转化为线性方程组，并能根据线性方程组建立压力节点的解析求解公式，采用解析公式进行迭代计算将能节省大量的仿真时间，从而实现高效的仿真数学模型计算。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，其特征在于，对池式钠冷快堆的复杂三维传热与流动过程实现解耦及流动去控制体化的建模与非线性方程组线性解析并行化处理，从而实现快速建模仿真计算分析，具体包括如下步骤：
步骤1，针对池式钠冷快堆主冷却剂系统的传热与流动特点，建立控制体划分图与系统流路图；
步骤2，依据步骤1所建立的控制体划分图，针对各控制体，建立能量守恒方程，形成用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组；
步骤3，依据步骤1中所建立的系统流路图，针对各支路，建立动量守恒方程；针对各支路的交汇节点，建立质量守恒方程，形成描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组；
步骤4，针对步骤3所建立的描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组进行非线性方程组解析化处理，得到各节点压力的解析表达式；
步骤5，基于步骤4中所获得的各节点压力的解析表达式，进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的迭代计算，获得描述流动过程的压力与流量分布数据；
步骤6，基于步骤2所获得的用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组，求解各控制体的传热过程参数；
步骤7，基于步骤5所获得的描述流动过程的压力与流量分布数据与步骤6所获得的各控制体的传热过程参数，再利用物性计算公式，对各控制体的物性参数更新，并判断流量计算与传热计算是否收敛，若未收敛，进入步骤5继续计算，若收敛，进入步骤8；
步骤8，判断是否完成所要求时间长度的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真计算，若没有完成，进入下一时间步的计算，假设新的流量，从步骤5开始新时间步的迭代计算；若已完成，池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动仿真过程结束。
2.根据权利要求1所述的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，其特征在于，所述步骤4，针对步骤3所建立的描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组进行非线性方程组解析化处理，得到各节点压力的解析表达式，具体包括：
步骤4-1，将描述池式钠冷快堆主冷却剂系统流动过程的一阶非线性微分方程组拆分成针对流体动量守恒的一阶非线性微分方程组和针对流体质量守恒的线性方程组；
步骤4-2：对流体质量守恒的线性方程组进行微分处理，获得质量守恒的微分方程组；
步骤4-3：利用动量守恒的一阶非线性微分方程组推导出各支路流量的微分项表达式，并代入到质量守恒的微分方程组中，将流量微分项消元，再将获得的方程组与质量守恒方程组整合成新的非线性方程组；
步骤4-4：假设本时间步的流量，将阻力系数中的非线性项消除，获得针对池式钠冷快堆主冷却剂系统各节点压力的线性方程组；
步骤4-5：利用所获得的各节点压力的线性方程组推导出各节点压力的解析表达式。
3.根据权利要求1所述的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，其特征在于，所述步骤5中，基于步骤4中所获得的各节点压力的解析表达式，进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的迭代计算，获得描述流动过程的压力与流量分布数据，具体包括：
在一个或一组计算节点下，进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的串行或并行迭代计算；
获得支路交汇处的压力与各支路的流量数据。
4.根据权利要求3所述的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，其特征在于，所述步骤6中，基于步骤2所获得的用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组，求解各控制体的传热过程参数，具体包括：
利用Gear算法在与步骤5不同的另一个或另一组计算节点上求解各控制体的传热过程参数；
所述各控制体的传热过程参数包括各控制体的焓值、温度参数。
5.根据权利要求1所述的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，其特征在于，所述步骤2中，用于描述池式钠冷快堆主冷却剂系统传热过程的一阶非线性微分方程组，具体包括：针对钠池内部传热特性的多个传热模型的方程组；
多个传热模型包括堆芯燃料元件导热模型、中间热交换器换热模型、氩气换热模型、冷钠池传热模型、热钠池传热模型、冷-热钠池间传热模型、堆主容器及其附属部件导热模型。
6.根据权利要求1所述的池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法，其特征在于，所述步骤5中，具体采用拟牛顿迭代法进行当前时间步下支路交汇处压力与支路流量分布的迭代计算。
CN202110942689.XA 2021-08-17 2021-08-17 一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法 Active CN113657049B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110942689.XA CN113657049B (zh) 2021-08-17 2021-08-17 一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110942689.XA CN113657049B (zh) 2021-08-17 2021-08-17 一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113657049A CN113657049A (zh) 2021-11-16
CN113657049B true CN113657049B (zh) 2023-06-16

Family

ID=78479933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110942689.XA Active CN113657049B (zh) 2021-08-17 2021-08-17 一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113657049B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115048848B (zh) * 2022-05-31 2023-04-28 西安交通大学 一种钠冷快堆熔融物碎片化评价方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110531635A (zh) * 2019-07-08 2019-12-03 华北电力大学 一种基于“虚拟阀”的快堆主泵流通通道建模计算方法
CN110532586A (zh) * 2019-07-08 2019-12-03 华北电力大学 一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法
CN111274748A (zh) * 2020-03-18 2020-06-12 西安交通大学 池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110075786A1 (en) * 2009-09-25 2011-03-31 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Heat exchanger, methods therefor and a nuclear fission reactor system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110531635A (zh) * 2019-07-08 2019-12-03 华北电力大学 一种基于“虚拟阀”的快堆主泵流通通道建模计算方法
CN110532586A (zh) * 2019-07-08 2019-12-03 华北电力大学 一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法
CN111274748A (zh) * 2020-03-18 2020-06-12 西安交通大学 池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113657049A (zh) 2021-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110020476B (zh) 一种反应堆u型管式蒸汽发生器全三维耦合模型建立方法
CN108170924B (zh) 一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法
CN111261232B (zh) 反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法
CN110532586B (zh) 一种钠冷快堆容器的分区解耦建模及总体耦合计算方法
CN111274748B (zh) 池式钠冷快堆非能动余热排出系统跨维度耦合计算方法
CN113094947B (zh) 一种核反应堆堆芯核热耦合分析方法
CN106709133A (zh) 基于神经网络曲面拟合的核电站堆芯温度场软测量方法
CN108763670B (zh) 一种求解超临界二氧化碳反应堆布雷顿循环瞬态过程方法
CN111027112B (zh) 一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法
CN111523233B (zh) 一种针对三维压水堆堆芯的中子输运计算方法
Tak et al. Development of a core thermo-fluid analysis code for prismatic gas cooled reactors
CN113657049B (zh) 一种池式钠冷快堆主冷却剂系统传热与流动快速仿真方法
CN104573364B (zh) 一种乏燃料水池及贮存格架热工水力耦合计算方法
Yoon et al. Application of CUPID for subchannel-scale thermal–hydraulic analysis of pressurized water reactor core under single-phase conditions
CN112052579A (zh) 一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法
CN113486483B (zh) 一种反应堆小破口多维度耦合分析方法
Xu et al. A one-dimensional code of double-coupled passive residual heat removal system for the swimming pool-type low-temperature heating reactor
CN115659875B (zh) 一种棒束燃料组件试验装置及其试验参数获取方法
CN107808021B (zh) 基于cfd的流体设备的阻力计算方法
Wu et al. CFD analysis for full vessel upper plenum in Maanshan Nuclear Power Plant
CN110008579B (zh) 垂直翅片管式热交换器的设计方法
CN116882137A (zh) 一种核动力热力系统多工况多目标优化方法
CN109977598A (zh) 针对阀下游排放管的载荷分析模型构建方法和分析方法
Xu et al. Study of impact of the AP1000® reactor vessel upper internals design on fuel performance
CN113177371A (zh) 一种反应堆堆芯组件流域流场顺次重构的cfd加速计算方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant