CN114357901A - 一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，包括步骤1：建立十字螺旋燃料在不同扭转角度平面上异形截面的结构化拓扑等效划分方法，根据燃料棒的周期性扭转特点，建立合适的连续拓扑结构；步骤2：建立十字螺旋燃料棒束冷却剂通道典型单棒单元的三维几何模型，包括单根燃料棒周围的流体区域，其轴向长度为90°扭转角；步骤3：将单根燃料棒流体区域几何模型进行预处理；步骤4：对经过几何处理后的单根燃料棒流体区域进行结构化六面体网格划分；步骤5：将生成好的单根燃料棒流体区域三维结构化网格进行阵列复制与拼接，完成整个燃料组件冷却剂通道的结构网格划分。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆堆芯热工水力分析计算领域，特别涉及一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法。
背景技术
在核反应堆运行过程中，堆芯棒束燃料组件的热工水力性能影响着反应堆的安全性和经济性。研究人员发现通过减小燃料棒直径、扩大棒束阵列尺寸以及在组件内添加扰流件产生湍流，能够显著提高功率密度和安全裕度。开发先进的燃料棒几何形状成为一个热点。十字螺旋燃料棒是一种新形式的燃料棒类型，其结构如图1和2所示。相较于传统圆形棒，十字螺旋燃料棒具有更大的换热面积，可大幅提高堆芯功率密度。同时，十字燃料棒的扭转结构能够增强冷却剂的混合，使组件内部温度分布更均匀，从而改善传热并减少局部峰值因子的影响；此外，十字螺旋燃料棒间每90度周期相接触，无需通过定位件来固定，能够有效降低压降。因此，准确得出十字螺旋燃料组件详细的热工水力特性对反应堆堆芯安全性和经济性设计至关重要。
目前多采用CFD模拟的方式计算十字螺旋燃料组件内的详细流场并进行相关热工分析。由于十字螺旋燃料棒几何结构特殊，且沿轴向方向周期性扭转，使得组件内部流动通道的几何结构复杂、形状不规则，不同扭转角度处棒束间特征尺寸相差巨大，这些结构特点给十字螺旋燃料组件冷却剂通道的网格划分带来了较大困难。
目前对十字螺旋燃料组件冷却剂通道的网格划分一般通过前处理软件自动生成四面体或多面体非结构网格。相比于结构网格，非结构网格数量巨大，且由于燃料棒与相邻燃料棒或壁面窄缝处的间隙极小，网格生成难度高；同时，由于螺旋燃料棒典型特征线尺寸跨度大，非结构网格难以捕捉大弧度、小长度的特征线，使得网格的几何还原度低，需要占用更多计算资源，且计算不容易收敛。
近年有学者提出，将冷却剂通道拆分成包含十字螺旋燃料棒的近棒区域和不包含十字螺旋燃料棒的主流区域，如图3所示，分别划分结构化网格。其中，近棒区域的结构化网格随十字螺旋棒的特征进行旋扭，而主流区域的网格为单一方向拉伸网格，不具有旋转特征。因此，近棒区域与主流区域交界面处的网格仅有可能在0°、90°等典型截面对齐，随着近棒网格的旋扭，在流体域内拼接面网格无法对齐(如图4-6所示)，数值计算过程中会引入插值误差，降低收敛性和计算精度
发明内容
针对现有十字螺旋燃料组件冷却剂通道的网格划分方法的不足，提供一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道结构化网格的划分方法，解决了非结构网格数量巨大、燃料棒与相邻燃料棒或壁面窄缝处网格难以生成，扭转体网格几何还原度低，且计算不容易收敛等问题。同时克服了分区域划分结构网格时交界面处网格节点无法对齐的问题，可在较好的还原十字螺旋燃料组件冷却剂通道几何特征的同时，灵活调整网格节点参数，控制网格数量，为十字螺旋燃料组件冷却剂通道的CFD计算提供高质量网格。
为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，包括以下步骤：
步骤1：建立十字螺旋燃料在不同扭转角度平面上异形截面的结构化拓扑等效划分方法，根据燃料棒的周期性扭转特点，建立合适的连续拓扑结构；
步骤2：建立十字螺旋燃料棒束冷却剂通道典型单棒单元的三维几何模型，包括单根燃料棒周围的流体区域，其轴向长度为90°扭转角；
步骤3：将单根燃料棒流体区域几何模型进行预处理；
步骤4：对经过几何处理后的单根燃料棒流体区域进行结构化六面体网格划分；
步骤5：将生成好的单根燃料棒流体区域三维结构化网格进行阵列复制与拼接，完成整个燃料组件冷却剂通道的结构网格划分。
进一步的，步骤1中，建立十字螺旋燃料在不同高度处异形截面的结构化拓扑等效划分方法，将十字曲线和外围正方形曲线围成的异形平面等效为一个具有圆环拓扑的结构，且等效的圆环拓扑结构不随燃料棒扭转。
进一步的，步骤2中，所建立的十字螺旋燃料组件冷却剂通道三维几何模型为包含十字燃料棒扭转几何特征，棒束间存在间隙的完整三维几何模型，单根燃料棒流体区域内十字燃料棒扭转90度。
进一步的，步骤3中，将单根燃料棒流体区域几何模型进行预处理，具体分为以下步骤：
步骤3-1：将单根燃料棒流体区域几何模型沿正负45度对角线切分，创建轴向方向几何特征引导线；
步骤3-2：将单根燃料棒流体区域几何模型再沿轴向方向等距切分，创建内部几何特征约束截面。
进一步的，步骤3-2中，对单根燃料棒流体区域沿轴向方向切分时，等分段数与十字燃料棒扭距有关，每段扭转角度不应超过18度。
进一步的，步骤4中，对经过几何处理后的单根燃料棒流体区域进行结构化六面体网格划分，具体分为以下步骤：
步骤4-1：将单根燃料棒流体区域几何模型导入网格划分软件中修复切分产生的重复轴向引导线和内部约束截面；
步骤4-2：将进出口面和由切分创建的内部约束截面依次创建单独的组件，根据内部约束截面的位置，沿轴向建立连续的分段三维拓扑结构；
步骤4-3：根据十字燃料棒不同位置的几何特征，分别建立进出口面、内部约束截面上点和边与异形平面结构化拓扑的对应关系，并根据计算精度的需求，确定每条边上网格节点数目与节点分布；
步骤4-4：根据十字燃料棒的扭转特征，分段建立轴向引导线与连续三维拓扑结构的轴向对应关系，并根据计算精度的需求，确定轴向上每段的网格节点数目与节点分布；
步骤4-5：采用步骤4-3和步骤4-4中确定的网格节点数目与节点分布特征，生成连续的单根燃料棒流体区域三维结构化网格。
进一步的，步骤4-2中，对单根燃料棒流体区域建立的三维拓扑结构采用O型中心剖分，并删去中心拓扑块。
进一步的，步骤4-3中，单根燃料棒流体区域三维结构化网格划分时，每段网格划分区域由同一初始区域切分创建，保证生成网格的连续性。
进一步的，步骤5中，单根燃料棒流体区域生成的结构化网格，前后进出口面、对称位置壁面网格节点位置和数量应保持一致。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1、本发明对十字螺旋燃料组件冷却剂通道采用结构化六面体网格划分，网格质量更高，计算时收敛性更好；
2、本发明在建立十字螺旋燃料组件冷却剂通道三维拓扑结构时，通过创建连续等效拓扑结构，充分考虑了十字燃料棒螺旋结构的几何特征，提高了网格模型的几何还原度；
3、本发明克服了分区域划分结构化网格时，网格拼接交界面处网格节点无法对齐的问题，增强了网格的连续性，便于计算收敛，尤其是用于复杂的两相流动传热问题；
4、本发明通过划分90度扭转单根燃料棒流体区域网格，使用网格阵列复制、拼接的方法生成整个燃料组件网格。能够满足不同燃料棒数量，不同扭转周期的燃料组件结构化网格的快速生成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是现有技术中十字螺旋燃料单棒示意图；
图2是现有技术中十字螺旋燃料2×2棒束示意图；
图3是现有技术中十字螺旋燃料2×2棒束分区方法示意图；
图4是现有技术中十字螺旋燃料2×2棒束0度平面网格示意图；
图5是现有技术中十字螺旋燃料2×2棒束22.5度平面网格示意图；
图6是现有技术中十字螺旋燃料2×2棒束45度平面网格示意图；
图7是本发明一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法的流程图；
图8是本发明十字螺旋燃料4×4棒束组件冷却剂通道的三维几何模型示意图；
图9是本发明单根燃料棒流体区域三维几何模型示意图；
图10是本发明单根燃料棒流体区域三维几何切分后示意图；
图11是本发明单根燃料棒流体区域三维拓扑结构示意图；
图12是本发明单根燃料棒流体区域三维结构化网格示意图；
图13是本发明阵列复制、拼接后十字螺旋燃料4×4棒束组件冷却剂通道的三维结构化网格示意图；
图14是本发明在不同扭转平面上的单根燃料棒流体区域内外轮廓曲线图；
图15是本发明在不同扭转平面上block与异形截面的对应图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
下面结合图7所示流程图，以4×4十字螺旋燃料组件冷却剂通道(图8) 为例，对本发明作进一步详细描述。具体包括以下步骤：
步骤1：建立螺旋十字螺旋燃料在不同高度处异形截面的结构化拓扑等效划分方法。由图8可知，由于棒束结构的周期性，4×4棒束的冷却剂通道可以看做由单根棒周围的冷却剂通道进行4×4阵列而成的结构，因此只需建立单个冷却剂通道的网格，之后进行阵列和拼接，即可完成整体网格划分。图 14和图15对单个冷却剂通道的异形截面结构化拓扑等效方法进行阐释。图14分别为0°、22.5°和45°平面上的截面形状图，其中，外围的方形轮廓为每个螺旋棒所占据的流体域空间的边界，内部的十字曲线为平面与螺旋棒的交线。由图可以看出，螺旋线在不同平面上具有旋转特征，这给普通的网格划分方法带来难度。本发明将十字曲线和外围正方形曲线围成的异形平面等效为一个具有圆环拓扑的结构，对其进行拓扑剖分。剖分后的拓扑结构及其与实际异形平面的映射关系如图15所示。可以看出，通过等效，将具有复杂边界的异形平面简化为四个“类四边形”区域，每个区域上可以进行结构化网格划分。
步骤2：建立十字螺旋燃料棒束冷却剂通道典型单棒单元的三维几何模型，包括单根燃料棒周围的流体区域，其轴向长度为90°扭转角，总长为125mm。如图9所示。
步骤3：将单根燃料棒流动区域几何模型进行预处理，具体分为以下步骤：
步骤3-1：将单根燃料棒流动区域几何模型沿正负45度对角线方向切分，创建轴向方向几何特征引导线；
步骤3-2：根据十字燃料棒的扭距，将单根燃料棒流动区域几何模型沿轴向方向等距切分成6段，即每段内十字燃料棒扭转15度。创建内部几何特征约束截面；处理后的几何模型如图10所示。
优选的，步骤3中，通过创建轴向引导线并进行轴向切分减小每段扭转角度，捕捉十字燃料棒扭转几何特征。
步骤4：对经过几何处理后的单根燃料棒流动区域进行结构化六面体网格划分，具体分为以下步骤：
步骤4-1：将单根燃料棒流动区域几何模型导入网格划分软件中修复切分产生的重复轴向引导线和内部约束截面；
步骤4-2：将进出口面和由切分创建的内部约束截面依次创建单独的组件，根据内部约束截面的位置，沿轴向建立连续的分段三维拓扑结构，如图11所示。优选的，步骤4-2中，对单根燃料棒流体区域建立连续的O型中心剖分，并删去中心拓扑块，保证分段三维拓扑结构的连续性。
步骤4-3：根据十字燃料棒不同位置的几何特征，分别建立进出口面、内部约束截面上点和边与异形平面结构化拓扑的对应关系，并根据计算精度的需求，确定每条边上划分31个网格节点且均匀分布，径向方向划分15个网格节点同样均匀分布。为便于观看，网格较为稀疏，且不添加边界层。优选的，步骤4-3中，根据十字燃料棒不同位置的几何特征，依次建立进出口面、内部约束截面上点和边与异形平面结构化拓扑的对应关系，在4个相互独立的block中划分结构化网格。
步骤4-4：根据十字燃料棒的扭转特征，分段建立轴向引导线与连续三维拓扑结构的轴向对应关系，根据计算精度的需求，中间4段沿轴向划分16个网格节点，靠近进出口的部分每段划分21个网格节点，进行加密处理；
步骤4-5：采用步骤4-3和步骤4-4中确定的网格节点数目与节点分布特征，生成连续的单根燃料棒流体区域三维结构化网格，如图12所示；
步骤5：将生成好的单根燃料棒流体区域三维结构化网格进行阵列复制、拼接，完成整个燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分，成品如图13所示。优选的，步骤5中，由单根燃料棒流体区域网格获得整个燃料组件冷却剂通道网格，通过网格阵列复制、拼接的方法，灵活多变，大大缩减工作量。
本实施例克服了十字螺旋燃料组件冷却剂通道非结构化网格数量巨大、燃料棒与相邻燃料棒或壁面窄缝处网格难以生成，扭转体非结构网格几何还原度低，拼接结构化网格交界面处节点不对齐等问题；同时易于调整网格数量和分布，能够为十字螺旋燃料组件冷却剂通道的CFD计算提供高质量网格。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立十字螺旋燃料在不同扭转角度平面上异形截面的结构化拓扑等效划分方法，根据燃料棒的周期性扭转特点，建立合适的连续拓扑结构；
步骤2：建立十字螺旋燃料棒束冷却剂通道典型单棒单元的三维几何模型，包括单根燃料棒周围的流体区域，其轴向长度为90°扭转角；
步骤3：将单根燃料棒流体区域几何模型进行预处理；
步骤4：对经过几何处理后的单根燃料棒流体区域进行结构化六面体网格划分；
步骤5：将生成好的单根燃料棒流体区域三维结构化网格进行阵列复制与拼接，完成整个燃料组件冷却剂通道的结构网格划分。
2.根据权利要求1所述的一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，步骤1中，建立十字螺旋燃料在不同高度处异形截面的结构化拓扑等效划分方法，将十字曲线和外围正方形曲线围成的异形平面等效为一个具有圆环拓扑的结构，且等效的圆环拓扑结构不随燃料棒扭转。
3.根据权利要求1所述的一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，步骤2中，所建立的十字螺旋燃料组件冷却剂通道三维几何模型为包含十字燃料棒扭转几何特征，棒束间存在间隙的完整三维几何模型，单根燃料棒流体区域内十字燃料棒扭转90度。
4.根据权利要求1所述的一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，步骤3中，将单根燃料棒流体区域几何模型进行预处理，具体分为以下步骤：
步骤3-1：将单根燃料棒流体区域几何模型沿正负45度对角线切分，创建轴向方向几何特征引导线；
步骤3-2：将单根燃料棒流体区域几何模型再沿轴向方向等距切分，创建内部几何特征约束截面。
5.根据权利要求4所述的一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，步骤3-2中，对单根燃料棒流体区域沿轴向方向切分时，等分段数与十字燃料棒扭距有关，每段扭转角度不应超过18度。
6.根据权利要求1所述的一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，步骤4中，对经过几何处理后的单根燃料棒流体区域进行结构化六面体网格划分，具体分为以下步骤：
步骤4-1：将单根燃料棒流体区域几何模型导入网格划分软件中修复切分产生的重复轴向引导线和内部约束截面；
步骤4-2：将进出口面和由切分创建的内部约束截面依次创建单独的组件，根据内部约束截面的位置，沿轴向建立连续的分段三维拓扑结构；
步骤4-3：根据十字燃料棒不同位置的几何特征，分别建立进出口面、内部约束截面上点和边与异形平面结构化拓扑的对应关系，并根据计算精度的需求，确定每条边上网格节点数目与节点分布；
步骤4-4：根据十字燃料棒的扭转特征，分段建立轴向引导线与连续三维拓扑结构的轴向对应关系，并根据计算精度的需求，确定轴向上每段的网格节点数目与节点分布；
步骤4-5：采用步骤4-3和步骤4-4中确定的网格节点数目与节点分布特征，生成连续的单根燃料棒流体区域三维结构化网格。
7.根据权利要求6所述的一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，步骤4-2中，对单根燃料棒流体区域建立的三维拓扑结构采用O型中心剖分，并删去中心拓扑块。
8.根据权利要求6所述的一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，步骤4-3中，单根燃料棒流体区域三维结构化网格划分时，每段网格划分区域由同一初始区域切分创建，保证生成网格的连续性。
9.根据权利要求1所述的一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，其特征在于，步骤5中，单根燃料棒流体区域生成的结构化网格，前后进出口面、对称位置壁面网格节点位置和数量应保持一致。
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