CN114201871A - 用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，其特点是，包括建立自然循环系统、初始流速优化、设计交互参数自适应收敛判据、构建自适应收敛标准函数。采用自然循环系统的驱动压头和总阻力压降间的定量关系优化初始流速；将一维和三维程序交互参数的方差作为判断三维程序计算参数是否达到稳定或接近稳定态的收敛标准，并基于耦合流速构建收方差的自适应函数；根据一维和三维程序的交互流速自适应调节收敛标准，实现耦合程序收敛至精确值。本发明具有自适应能力强、高效易行和鲁棒性高等优点。特别适用于分析具有复杂结构热源的自然循环系统的热工水力特性。

Description

用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合 方法

技术领域

本发明涉及流动与换热数值计算领域，是一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，特别适用于具有一维和三维流动特征的自然循环系统热工水力特性的定量分析。

背景技术

自然循环作为非能动安全技术的主要原理之一，其在能源和化工等领域应用极为广泛。其中，为进一步提升核电站的安全性，第三代核电厂广泛采用非能动的设计理念。由于自然循环系统具有结构简单，固有安全性好等优点，自然循环式非能动安全系统在第三代核电厂中得到普遍应用。因此，研究基于自然循环式非能动安全系统的热工水力特性对核电厂的安全设计至关重要。

目前，本领域技术人员针对自然循环系统热工水力特性的研究主要采用基于集总参数法的一维分析程序，该程序具有计算流速快、参数调节灵活等优点。然而，对于具有复杂结构的热源如反应堆热源和列管式换热器，其内部存在显著的三维流动特征，如二次流、涡流等。因此，采用传统一维分析程序无法模拟其内部复杂的三维流场。同时，如果仅采用三维程序对整个自然循环系统模拟则需要庞大的网格量，时间成本极高。因此，本发明结合一维程序和三维程序软件的优点，开发了一维程序和三维程序的自适应耦合计算方法，实现了对具有一维和三维流动特征的自然循环系统热工水力特性的快速和准确模拟，可为研究人员提供极具价值的研究工具。

在现有的文献中，针对一维程序和三维程序自适应多尺度耦合的研究很少，其中张银星等提出一维用户程序和三维程序STAR-CCM+的多尺度耦合方法(张银星,高璞珍,何晓强,等.STAR-CCM+与一维用户程序耦合方法[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(11):1669-1674.)。该方法讲述了一维用户程序和三维程序STAR-CCM+的数据交互方法。通过STAR-CCM+预设固定迭代步数，使其计算参数稳定，然后与一维用户程序进行数据交互。然而，实际应用中发现，当固定迭代步数选取过大时，会导致耦合收敛的时间显著增加。当固定迭代步数选取过小时，交互参数未达到稳态或接近稳态，数据交互会导致耦合程序计算发散。此外，该方法中对一维用户程序初始流速的设置具有较高的要求，需依赖实验经验，仅当初始流速与实际工况下自然循环流速稳定值的偏差较小时，耦合计算才能收敛。综上可知，采用固定迭代步的一维和三维多尺度耦合方法具有自适应差、初始流速影响耦合程序的收敛能力和依赖实验经验的不足。

发明内容

鉴于现有技术基于固定迭代步的一维和三维程序耦合方法的局限性，本发明的目的是，提出一种科学合理，自适应能力强，应用价值高的用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，本发明的方法能够实现任意初始流速下一维和三维耦合程序的快速、准确收敛，同时该方法也可用于计算分析含其它复杂热源的自然循环系统的热工水力特性。

实现本发明目的采用的技术方案是，一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)建立自然循环系统的第一管路、第二管路、第三管路和第四管路的一维流动阻力与换热计算程序和热源的三维流动与换热计算程序；

2)设初速流速为v_i，并将v_i作为三维计算程序的入口流速边界条件，采用三维程序计算热源的压降ΔP和出口温度T_out；

3)计算三维程序得到的出口温度T_out和压降ΔP_re的收敛标准δ，将三维程序计算的热源出口温度T_out和热源压降ΔP_re，根据连续n次迭代步的历史值求方差，并作为热源出口温度和压降的参数收敛判据，具体为

且

I为三维程序迭代步，n为间隔迭步数；

4)当出口温度T_out和压降ΔP_re的方差均小于收敛标准δ，将三维程序计算的出口温度T_out和压降ΔP_re传递给一维计算程序，并计算驱动压头ΔP_d和总阻力压降ΔP_z；

5)当ΔP_d≤ΔP_z/2时，对初始流速v_i进行优化，根据驱动压头ΔP_d和总阻力压降ΔP_z的大小，对初始流速v_i进行优化，具体优化方法为：

对于两相工况计算，当|(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)|＜0.5时，v_i＝v_i[1+(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)]；当|(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)|≥0.5时，v_i＝0.5v_i。

对于单相工况计算，根据热平衡关系式Q＝ρvAc_p,aveΔT，Q为热源功率，ρ为热源入口密度，A为流通面积，c_p,ave为热源平均定压比容，ΔT为热源进出口温差。以热源出口流体过冷度为20℃为基准对初始速度进行优化，具体为：v_i＝Q/[ρAc_p,ave(T_sat-T_in-20)]，并返回步骤3)，当ΔP_d＞ΔP_z/2时，根据式v_i+1＝v_i[1+(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)]，得到更新后的流速v_i+1；

6)根据流速v_i和v_i+1更新步骤4)中的收敛标准δ，具体为δ＝C|v_i+1-v_i|/max(v_i+1,v_i)，C为定值常数，i为数据交互次数，max()为取最大值函数，δ根据一维和三维程序的交互流速对收敛标准进行自适应更新，实现耦合程序收敛至精确值；

7)将更新后的流速v_i+1传递给三维计算程序，并转到步骤3)，直至v_i与v_i+1相同，完成一维程序和三维程序的自适应多尺度耦合。

本发明一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法的有益效果是：

1、建立了一个高效、准确的一维和三维程序的自适应多尺度耦合方法，用以计算和分析含复杂热源的自然循环系统的热工水力特性；

2、基于耦合流速构建三维程序计算参数收敛的自适应判据，并提出一维和三维程序的自适应耦合计算方法，实现耦合程序的自适应迭代收敛，在保证精度的前提下，提高了耦合程序的高效性；

3、提出一维和三维耦合程序的初始流速优化方法，在单相条件下，根据热源热平衡方程优化初始化流速；在两相条件下，根据二分策略优化流速，避免初始流速设置不合理而导致耦合计算发散；

4、可用于任意工况下自然循环系统的流动与换热特性的定量分析，可以代替人为实验测量的复杂流程，并能实时获得具有三维流动特征的复杂结构热源内冷却剂的三维流场和温度场，并可为自然循环系统的优化设计提供指导；

5、对初始速度的设定不依赖实验经验，且不受初始参数影响，对于非本领域或本领域的初学者均可适用，普适性强；

6、其方法科学合理，自适应能力强，应用价值高。

附图说明

图1为一种自然循环系统结构示意图；

图2为一维用户程序和三维程序的自适应耦合程序框图；

图3为本发明结果与实验结果对比结果；

图4为固定迭代步方法和本发明方法对比结果；

图5为花瓣形燃料组件耦合流速收敛结果；

图6为花瓣形燃料组件中心截面流速矢量图；

图7中花瓣形燃料组件中心截面温度等值线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。

图1展示了一种自然循环系统结构示意图，包括：热源1、第一管路2、冷源3、第二管路4、第三管路6、预热器7和第四管路8连接，在第二管路4与第三管路6上设置稳压器5。

参照图2，本发明的一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，包括以下步骤：

1)建立如图1中的自然循系统的第一管路2、第二管路4、第三管路6和第四管路8的一维流动阻力与换热计算程序和热源1的三维流动与换热计算程序；

2)设初速流速为v_i，并将v_i作为三维计算程序的入口流速边界条件，采用三维程序计算热源1的压降ΔP和出口温度T_out；

3)计算三维程序得到的出口温度T_out和压降ΔP_re的收敛标准δ：

将三维程序计算的热源1出口温度T_out和热源1压降ΔP_re，根据连续n次迭代步的历史值求方差，并作为热源1出口温度和压降的参数收敛判据，具体为

且

I为三维程序迭代步，n为间隔迭步数；

4)当出口温度T_out和压降ΔP_re的方差均小于收敛标准δ，将三维程序计算的出口温度T_out和压降ΔP_re传递给一维计算程序，并计算驱动压头ΔP_d和总阻力压降ΔP_z；

5)当ΔP_d≤ΔP_z/2时，对初始流速v_i进行优化：

根据驱动压头ΔP_d和总阻力压降ΔP_z的大小，对初始流速v_i进行优化，具体优化方法为：

对于两相工况计算，当|(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)|＜0.5时，v_i＝v_i[1+(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)]；当|(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)|≥0.5时，v_i＝0.5v_i。

对于单相工况计算，根据热平衡关系式Q＝ρvAc_p,aveΔT，Q为热源1功率，ρ为热源1入口密度，A为流通面积，c_p,ave为热源1平均定压比容，ΔT为热源1进出口温差。以热源1出口流体过冷度为20℃为基准对初始速度进行优化，具体为：v_i＝Q/[ρAc_p,ave(T_sat-T_in-20)]，并返回步骤3)，当ΔP_d＞ΔP_z/2时，根据式v_i+1＝v_i[1+(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)]，得到更新后的流速v_i+1；

6)根据流速v_i和v_i+1更新步骤4)中的收敛标准δ：

根据交互流速建立自适应收敛标准表达式，具体为δ＝C|v_i+1-v_i|/max(v_i+1,v_i)，C为定值常数，i为数据交互次数，max()为取最大值函数，δ根据一维和三维程序的交互流速对收敛标准进行自适应更新，实现耦合程序收敛至精确值；

7)将更新后的流速v_i+1传递给三维计算程序，并转到步骤3)，直至v_i与v_i+1相同，完成一维程序和三维程序的自适应多尺度耦合。

验证1：实验验证

采用单相条件下含3×3棒束通道的自然循环系统流量测定实验验证本发明的正确性，图3是该发明的耦合计算结果和实验结果的对比图。从图3可以看出，本发明得到的结果与实验测量的结果趋于一致，在相同几何和热工参数条件下，采用本发明一维和三维自适应耦合程序计算得到的自然循环流量与实验结果最大偏差在10％以内。这表明该发明能够准确地模拟自然循环下的自然循环流动。

验证2：固定迭代步法和本发明方法对比验证

在一维程序和三维程序进行数据传递过程中，采用文献给出的固定迭代步法对相同几何和热工参数下的自然循环系统进行一维和三维耦合数值模拟。由于现有文献方法的收敛性受初始速度影响较大，因此需要通过式算法获得满足耦合收敛的最小固定迭代步。实验工况为：运行压力为0.3MPa，初始速度为0.25m/s，加热功率为14kW，加热段为3×3棒束通道，入口过冷度为50℃。在满足能够收敛的条件下，通过试算法得到固定迭代步法的相邻两次数据交互所需最小迭代步长为450步。本发明提出的自适应耦合计算方法，可以根据耦合速度大小自适应改变步长。图4是固定迭代步计算方法和本发明方法对比图。上述两种方法采用的三维几何和数值模型是相同的，耦合计算所耗费时间主要在三维计算上，因此三维程序计算迭代步与实际运行时间呈正相关。从图3中可以看出，固定迭代步计算方法完成耦合收敛需6151步。然后，采用本发明方法仅需656步实现耦合模拟收敛。本发明方法的一维和三维耦合收敛速度是固定迭代步法的9.376倍，这充分体现了本发明的高效性。此外，本发明不仅适用于含棒束热源组件的自然循环系统一维和三维耦合计算，同时适用于含其它复杂热源(如花瓣形热源组件等)的自然循环系统。

实施例1：

为了进一步验证本发明的普适性，采用本发明对自然循环下花瓣形堆燃料组件的流动特性进行一维和三维耦合模拟。其中，运行压力为0.3MPa，加热功率为2kW，入口过冷度为50℃。图5给出了本发明耦合计算方法的自然循环流速收敛曲线。从图5中可知，初始假定流速为0.15m/s，通过一维和三维耦合计算，最终收敛流速为0.181m/s，进而得到了系统的自然循环流量。

此外，花瓣形热源三维程序模拟结果如图6和图7所示。从图6中可以看出，由于花瓣形棒束通道的螺旋几何结构，加强冷却剂的横向搅混，可以起到强化换热的作用。这导致中心子通道的冷却剂温度较低；边通道的冷却剂流速较低，换热能力较弱，导致边通道的冷却剂温度较高，如图7所示。

本发明的具体实施方式只是一个实例，但本发明的适用范围不仅仅局限于此，任何熟悉该领域技术的人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式也同样属于本发明权利要求所保护的范围。

Claims (1)

1.一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)建立自然循环系统的第一管路、第二管路、第三管路和第四管路的一维流动阻力与换热计算程序和热源的三维流动与换热计算程序；

2)设初速流速为v_i，并将v_i作为三维计算程序的入口流速边界条件，采用三维程序计算热源的压降ΔP和出口温度T_out；

3)计算三维程序得到的出口温度T_out和压降ΔP_re的收敛标准δ，将三维程序计算的热源出口温度T_out和热源压降ΔP_re，根据连续n次迭代步的历史值求方差，并作为热源出口温度和压降的参数收敛判据，具体为

且

I为三维程序迭代步，n为间隔迭步数；

4)当出口温度T_out和压降ΔP_re的方差均小于收敛标准δ，将三维程序计算的出口温度T_out和压降ΔP_re传递给一维计算程序，并计算驱动压头ΔP_d和总阻力压降ΔP_z；

5)当ΔP_d≤ΔP_z/2时，对初始流速v_i进行优化，根据驱动压头ΔP_d和总阻力压降ΔP_z的大小，对初始流速v_i进行优化，具体优化方法为：

对于两相工况计算，当|(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)|＜0.5时，v_i＝v_i[1+(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)]；当|(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)|≥0.5时，v_i＝0.5v_i；

对于单相工况计算，根据热平衡关系式Q＝ρvAc_p,aveΔT，Q为热源功率，ρ为热源入口密度，A为流通面积，c_p,ave为热源平均定压比容，ΔT为热源进出口温差，以热源出口流体过冷度为20℃为基准对初始速度进行优化，具体为：v_i＝Q/[ρAc_p,ave(T_sat-T_in-20)]，并返回步骤3)，当ΔP_d＞ΔP_z/2时，根据式v_i+1＝v_i[1+(ΔP_d-ΔP_z)/(ΔP_d+ΔP_z)]，得到更新后的流速v_i+1；

6)根据流速v_i和v_i+1更新步骤4)中的收敛标准δ，具体为δ＝C|v_i+1-v_i|/max(v_i+1,v_i)，C为定值常数，i为数据交互次数，max()为取最大值函数，δ根据一维和三维程序的交互流速对收敛标准进行自适应更新，实现耦合程序收敛至精确值；

7)将更新后的流速v_i+1传递给三维计算程序，并转到步骤3)，直至v_i与v_i+1相同，完成一维程序和三维程序的自适应多尺度耦合。

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