CN114757123B - 一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法 - Google Patents

一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法，通过降低维数和简化模型减少计算量，实现面向全堆芯的高效的耦合计算；步骤如下：1、将三维板形核燃料元件沿堆芯高度方向划分成二维燃料切片；2、对单个元件的切片进行复制、平移、旋转、组合成堆芯几何；3、对二维燃料切片建立固体域网格，并对简化的一维流道建立流体域网格；4、针对全堆芯的二维燃料切片进行并行的固体域计算；5、对各个流道内的流体进行并行的一维单通道模拟；6、完成当前时间步计算后，获取燃料切片边界上和流体域节点上需要耦合交互的数据；7、交换固体域与流体域的耦合数据，并使用耦合后的数据进行计算；8、重复步骤4到步骤7直到时间步达到计算需要的时长。

Description

一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法
技术领域
本发明属于板形核燃料及流固耦合技术领域，具体涉及一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法。
背景技术
板形核燃料是一种正在研发的新型核燃料，具有安全性高、换热面积大、燃料温度低、比功率高、机械性能优良等优点，同时在工程应用上具备较强的可行性。目前，板形核燃料已经在一些实验研究堆、模块化小型堆和船用动力堆中得到了较为广泛的应用。在核反应堆中通常存在多个板形核燃料组件，每个组件由多块平行布置的燃料元件组成，冷却剂流体在平行的燃料板之间流动，带走燃料释放的裂变能。
在板形核燃料的数值模拟中，由于核反应堆堆芯结构复杂，同时计算资源有限，导致面向全堆芯的计算存在问题，需要通过适当的几何和物理简化以减小计算规模提高模拟计算效率。
由于物理模型和数值方法的差异，针对固体与流体的模拟与分析通常是分开进行的。然而，真实的核反应堆中固体域和流体域之间存在着较强的相互影响。涉及到固体与流体同时存在且相互影响的情况时，就需要考虑固体与流体之间的相互耦合，即流固耦合。
同样受限于计算资源，传统的流固耦合一般采用单向耦合的形式，即只分析流体对固体的影响，不考虑固体变形对流体的影响。如果模拟过程中固体域的变形较小，这种单向耦合的方式可以认为是较为准确的。但当固体域变形较为明显使得流道发生变化时，不考虑固体对流体的作用会使问题的求解精度下降，当固体域的变形较大时，计算结果与实际情况存在较大差异。随着计算资源的丰富，更加精确的双向流固耦合技术得到了发展。双向流固耦合考虑了流体域与固体域之间的相互影响，在固体域与流体域的计算过程中不断相互传递参数，更符合真实的物理过程。
目前在核反应堆的数值模拟研究中，借助数据交换接口程序耦合商用程序的同维度流固耦合分析已有一定成果。然而，对流体域和固体域均采用三维模拟的流固耦合分析需要大量的计算资源，若应用于全堆芯计算会大大增加计算时间。实际上，简化几何模型和物理模型，对核燃料进行二维计算并针对堆芯流道进行一维计算已经具备足够的精度，在此基础上的跨维度流固耦合分析能够在全堆芯模拟计算时兼顾精度并显著提升效率。
本发明展示了一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法，采用二维固体域和一维流体域耦合计算的形式，提供了一种可用于板形核燃料全堆芯模拟计算的方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法，针对板形核燃料堆芯的结构复杂导致的全堆芯模拟需要的计算资源较多的问题，通过降低维数和简化模型减少计算量，实现面向全堆芯的高效的耦合计算；针对二维固体域和一维流体域耦合求解的问题，将固体域边界与流体域节点的数据依据空间几何位置进行交换，在保证各自计算效率的前提下，实现流固耦合计算。
该方法包括以下步骤：
步骤一：将三维板形核燃料元件沿堆芯高度方向划分成x层二维燃料切片，其中切片层数x手动指定；后续步骤中针对固体域的网格划分和模拟计算均以切片为操作对象；
步骤二：根据堆芯内的板形核燃料组件和元件排布方式，对步骤一中获得的单个元件的二维燃料切片进行复制、平移、旋转、组合操作，得到简化的由二维燃料切片组成的堆芯几何；
步骤三：针对步骤二中的堆芯几何，建立二维燃料切片的固体域网格，同时将堆内流道简化为并联的一维流道并建立流体域网格；其中每个一维流道的网格节点数量记作y；
其中网格的划分根据二维燃料性能分析和一维流体模拟分析的需求确定，二维燃料切片边界处的网格密度需要增加以准确模拟核燃料包壳的精细结构，一维流道的网格节点数量y需要足够大以保证流体计算精度；
步骤四：使用燃料性能分析程序进行固体域计算；
设置二维燃料切片的功率分布：首先根据全堆芯功率沿径向的贝塞尔函数分布确定单个板形核燃料元件的功率分布，然后根据板形核燃料元件功率在高度上的余弦分布确定沿堆芯高度方向划分的燃料切片的功率密度分布；
针对全堆芯的二维燃料切片进行并行的固体域计算，并行计算线程数＝堆芯内组件数×组件内元件数×元件切片数；
步骤五：使用计算流体力学程序进行流体域计算；
根据堆芯内各流道的流通面积和流道压降，进行不同流道内的流量分配，然后并行的对每个流道内的流体进行一维单通道模拟，并行计算线程数＝堆芯内流道数；
步骤六：待步骤四和步骤五中当前时间步的计算完成后，分别获取固体域中x个燃料切片边界上的和流体域中y个网格节点上的需要耦合交互的数据；
由于每个燃料切片边界上包含多个计算节点，获取边界上各节点的数据后取其平均值作为耦合交互的数据；
如果燃料切片层数x和每个一维流道的网格节点数量y不等，则在一维流道上指定x个新网格节点与燃料切片一一对应；
固体域边界上需要提取的变量为：热流密度q和垂直于冷却剂流动方向的变形Δx；
流体域节点上需要提取的变量为：流体温度Tf、对流换热系数h和流体压力P；
步骤七：判断时间步是否达到计算需要的时长，若达到计算时长，则结束计算输出结果，若尚未达到，则进行以下步骤：
根据步骤六中建立的二维燃料切片与一维流道节点的一一对应关系，在x个新网格节点与y个网格节点之间进行线性插值数据映射，交换步骤六中获取的固体域和流体域的耦合数据；
对固体域，将流体压力P作为力学边界载荷，将流体温度Tf和对流换热系数h作为对流边界条件，重复步骤四进行下一时间步计算；对流体域，将热流密度q通过能量守恒关系转化为能量源项，通过垂直于冷却剂流动方向的变形Δx的平均值获得更新的流道宽度，重复步骤五进行下一时间步计算；
步骤八：重复步骤四至步骤七，直到时间步达到计算需要的时长并结束计算输出结果。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.该方法提供了一种板形核燃料元件的简化方案，能够在保证计算精度的情况下显著提升燃料性能分析效率；
2.该方法在核反应堆全堆芯模拟计算中引入了大规模并行的计算方法，能够显著提升全堆芯计算效率；
3.该方法提供了双向耦合的方案，开展了固体域和流体域之间温度、形变、对流换热系数、压力等变量的相互传递，能够提升核反应堆模拟分析的计算精度；
4.该方法提供了一种跨维度耦合方案，针对板形核燃料元件切片二维固体域和堆内流道一维流体域，通过均值或插值等数学处理实现了边界和节点映射；
5.该方法不改变固体域和流体域分析程序内部的模型，能够灵活的进行网格划分和求解参数设置。
附图说明
图1为二维固体域与一维流体域耦合分析流程图。
图2为板形核燃料组件结构及流量分配示意图。
图3为二维固体域与一维流体域数据传递示意图。
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：
本发明一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法，针对板形核燃料堆芯的结构复杂导致的全堆芯模拟需要的计算资源较多的问题，通过降低维数和简化模型减少计算量，实现面向全堆芯的高效的耦合计算；板形核燃料组件结构及流量分配如附图2所示，固体域简化及二维固体域与一维流体域数据传递如附图3所示；针对二维固体域和一维流体域耦合求解的问题，将固体域边界与流体域节点的数据依据空间几何位置进行交换，在保证各自计算效率的前提下，实现流固耦合计算，耦合分析流程如附图1所示；
该方法包括以下步骤：
步骤一：将三维板形核燃料元件沿堆芯高度方向划分成x层二维燃料切片，其中切片层数x手动指定，如附图3所示；后续步骤中针对固体域的网格划分和模拟计算均以切片为操作对象；
步骤二：根据板形核燃料组件内的元件并列排布的方式，对步骤一中获得的单个元件的二维燃料切片进行复制、平移、组合操作，得到简化的由二维燃料切片组成的板形核燃料单个组件几何，根据核反应堆堆芯内的板形核燃料组件矩形阵列排布的方式，对获得的单个组件几何进行复制、平移、旋转、组合操作，得到简化的由二维燃料切片组成的板形核燃料堆芯几何；
步骤三：针对步骤二中的板形核燃料堆芯几何内的所有二维燃料切片，建立二维燃料切片的固体域结构化网格，另外，将核反应堆内冷却剂通道简化为相互并联的一维流道，建立流体域网格，如附图2所示，每两块燃料板之间的冷却剂通道简化为一个一维流道，一维流道内的网格划分如附图3所示，每个一维流道的网格节点数量记作y；
其中网格的划分根据二维燃料性能分析和一维流体模拟分析的需求确定，二维燃料切片边界处的网格密度需要增加以准确模拟核燃料包壳的精细结构，一维流道的网格节点数量y需要足够大以保证流体计算精度；
步骤四：使用燃料性能分析程序进行固体域计算；
设置二维燃料切片的功率分布：首先根据全堆芯功率沿径向的贝塞尔函数分布确定单个板形核燃料元件的功率分布，然后根据板形核燃料元件功率在高度上的余弦分布确定沿堆芯高度方向划分的燃料切片的功率密度分布；
针对全堆芯的二维燃料切片进行并行的固体域计算，并行计算线程数＝堆芯内组件数×组件内元件数×元件切片数；
步骤五：使用计算流体力学程序进行流体域计算；
根据堆芯内各流道的流通面积和流道压降，进行不同流道内的流量分配，然后并行的对每个流道内的流体进行一维单通道模拟，并行计算线程数＝堆芯内流道数；
步骤六：待步骤四和步骤五中当前时间步的计算完成后，分别获取固体域中x个燃料切片边界上的和流体域中y个网格节点上的需要耦合交互的数据，如附图3所示；
由于每个燃料切片边界上包含多个计算节点，获取边界上各节点的数据后取其平均值作为耦合交互的数据；
如果燃料切片层数x和每个一维流道的网格节点数量y不等，则在一维流道上指定x个新网格节点与燃料切片一一对应；
固体域边界上需要提取的变量为：热流密度q和垂直于冷却剂流动方向的变形Δx；
流体域节点上需要提取的变量为：流体温度Tf、对流换热系数h和流体压力P；
步骤七：判断时间步是否达到计算需要的时长，如附图1流程中的判断步骤所示，若达到计算时长，则结束计算输出结果，若尚未达到，则进行以下步骤：
根据步骤六中建立的二维燃料切片与一维流道节点的一一对应关系，在x个新网格节点与y个网格节点之间进行线性插值数据映射，交换步骤六中获取的固体域和流体域的耦合数据；
对固体域，将流体压力P作为力学边界载荷，将流体温度Tf和对流换热系数h作为对流边界条件，重复步骤四进行下一时间步计算；对流体域，将热流密度q通过能量守恒关系转化为能量源项，通过垂直于冷却剂流动方向的变形Δx的平均值获得更新的流道宽度，重复步骤五进行下一时间步计算；
步骤八：重复步骤四至步骤七，如附图1所示，直到时间步达到计算需要的时长并结束计算输出结果。

Claims (1)

1.一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法，其特征在于：针对板形核燃料堆芯的结构复杂导致的全堆芯模拟需要的计算资源多的问题，通过降低维数和简化模型减少计算量，实现面向全堆芯的高效的耦合计算；针对二维固体域和一维流体域耦合求解的问题，将固体域边界与流体域节点的数据依据空间几何位置进行交换，在保证各自计算效率的前提下，实现流固耦合计算；
该方法包括以下步骤：
步骤一：将三维板形核燃料元件沿堆芯高度方向划分成x层二维燃料切片，其中切片层数x手动指定；后续步骤中针对固体域的网格划分和模拟计算均以切片为操作对象；
步骤二：根据堆芯内的板形核燃料组件和元件排布方式，对步骤一中获得的单个元件的二维燃料切片进行复制、平移、旋转、组合操作，得到简化的由二维燃料切片组成的堆芯几何；
步骤三：针对步骤二中的堆芯几何，建立二维燃料切片的固体域网格，同时将堆内流道简化为并联的一维流道并建立流体域网格；其中每个一维流道的网格节点数量记作y；
其中网格的划分根据二维燃料性能分析和一维流体模拟分析的需求确定，二维燃料切片边界处的网格密度需要增加以准确模拟核燃料包壳的精细结构，一维流道的网格节点数量y需要足够大以保证流体计算精度；
步骤四：使用燃料性能分析程序进行固体域计算；
设置二维燃料切片的功率分布：首先根据全堆芯功率沿径向的贝塞尔函数分布确定单个板形核燃料元件的功率分布，然后根据板形核燃料元件功率在高度上的余弦分布确定沿堆芯高度方向划分的燃料切片的功率密度分布；
针对全堆芯的二维燃料切片进行并行的固体域计算，并行计算线程数＝堆芯内组件数×组件内元件数×元件切片数；
步骤五：使用计算流体力学程序进行流体域计算；
根据堆芯内各流道的流通面积和流道压降，进行不同流道内的流量分配，然后并行的对每个流道内的流体进行一维单通道模拟，并行计算线程数＝堆芯内流道数；
步骤六：待步骤四和步骤五中当前时间步的计算完成后，分别获取固体域中x个燃料切片边界上的和流体域中y个网格节点上的需要耦合交互的数据；
由于每个燃料切片边界上包含多个计算节点，获取边界上各节点的数据后取其平均值作为耦合交互的数据；
如果燃料切片层数x和每个一维流道的网格节点数量y不等，则在一维流道上指定x个新网格节点与燃料切片一一对应；
固体域边界上需要提取的变量为：热流密度q和垂直于冷却剂流动方向的变形Δx；
流体域节点上需要提取的变量为：流体温度Tf、对流换热系数h和流体压力P；
步骤七：判断时间步是否达到计算需要的时长，若达到计算时长，则结束计算输出结果，若尚未达到，则进行以下步骤：
根据步骤六中建立的二维燃料切片与一维流道节点的一一对应关系，在x个新网格节点与y个网格节点之间进行线性插值数据映射，交换步骤六中获取的固体域和流体域的耦合数据；
对固体域，将流体压力P作为力学边界载荷，将流体温度Tf和对流换热系数h作为对流边界条件，重复步骤四进行下一时间步计算；对流体域，将热流密度q通过能量守恒关系转化为能量源项，通过垂直于冷却剂流动方向的变形Δx的平均值获得更新的流道宽度，重复步骤五进行下一时间步计算；
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