CN114996782B - 一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法、系统、终端及介质 - Google Patents

一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法、系统、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法、系统、终端及介质，涉及堆芯模拟技术领域，其技术方案要点是：建立由热棒、热组件、平均组件三个目标件构成的几何模型，并沿轴线方向对几何模型分段；依据几何模型的几何参数为三个目标件配置相应的功率份额；依据几何模型中的堆芯设计特征数据分别分析得到每一分段模型中三个目标件相对于相应关联件的辐射视角因子；当几何模型的模拟运行参数达到预设条件时，通过辐射换热模型计算出每一个辐射视角因子所对应的辐射换热量，并将同属一个部件的辐射换热量求和得到分段模型中相应目标件的总辐射换热量。本发明能够降低整个堆芯计算获得的包壳峰值温度，提高安全裕量，提升设计灵活度。

Description

一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法、系统、终端及介质
技术领域
本发明涉及堆芯模拟技术领域，更具体地说，它涉及一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法、系统、终端及介质。
背景技术
大破口失水事故是最复杂的设计基准事故，在发生大破口失水事故时，燃料包壳温度会上升至很高，因此对于失水事故包壳峰值温度有相应的限制准则进行规定以保证反应堆的安全。
在失水事故模拟过程中，需要保证模拟的保守性和数值稳定性。由于堆芯分为冷通道、平均通道、热组件通道等，不同通道组件的包壳温度差异较大，因此合理模拟组件间的辐射换热不仅能够使得计算结果更加精确，还能有效降低包壳峰值温度，提高设计裕量，保证数值计算的稳定性。然而，在传统的模拟过程中一般会忽略组件间辐射换热，导致计算获得的包壳峰值温度较高，安全裕量较小，且会造成较大的数值不稳定性。
因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的堆芯中组件间辐射换热模拟方法、系统、终端及介质是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法、系统、终端及介质，能够降低整个堆芯计算获得的包壳峰值温度，提高安全裕量，提升设计灵活度。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法，包括以下步骤：
建立由热棒、热组件、平均组件三个目标件构成的几何模型，并沿轴线方向对几何模型分段；
依据几何模型的几何参数为三个目标件配置相应的功率份额；
依据几何模型中的堆芯设计特征数据分别分析得到每一分段模型中三个目标件相对于相应关联件的辐射视角因子；
当几何模型的模拟运行参数达到预设条件时，通过辐射换热模型计算出每一个辐射视角因子所对应的辐射换热量，并将同属一个部件的辐射换热量求和得到分段模型中相应目标件的总辐射换热量。
进一步的，所述辐射视角因子所对应的辐射换热量计算过程具体为：
确定分段模型中的发射率；
依据辐射视角因子所对应的目标件表面温度的四次方与关联件表面温度的四次方之差，得到温差计算值；
将发射率、辐射视角因子、温差计算值以及玻尔兹曼常数相乘后，得到辐射视角因子所对应的辐射换热量。
进一步的，所述热棒的关联件为同一分段模型中的热组件；
所述热组件的关联件为同一分段模型中的热棒和平均组件；
所述平均组件的关联件为同一分段模型中的热组件以及相邻分段模型中的平均组件。
进一步的，所述热棒相对于热组件的辐射视角因子为1；
所述热组件相对于热棒的辐射视角因子为热组件内燃料棒数的倒数；
所述热组件相对于平均组件的辐射视角因子为1与平均组件内燃料棒数的倒数之间的差值；
所述平均组件相对于热组件的辐射视角因子为堆芯中热组件数量和平均组件数量之和的倒数；
所述平均组件相对于相邻分段模型中的平均组件的辐射视角因子为1与堆芯中热组件数量和平均组件数量之和的倒数之间的差值。
进一步的，所述几何模型中分段模型的数量为18或24。
进一步的，所述目标件的功率份额配置具体为：
所述热棒的功率份额为核焓升因子与堆芯中所有燃料棒数的比值；
所述热组件的功率份额为核焓升因子同时除以堆芯中热组件数量与平均组件数量之和、热棒的功率与热组件的平均功率之间的比值后，与热棒的功率份额的差值；
所述平均组件的功率份额为1同时减去热棒的功率份额、热组件的功率份额后的差值。
进一步的，所述预设条件具体为：
保守考虑发射率情况下，当目标件的包壳温度大于900K且空泡份额大于0.5时启用辐射换热模型；
其中，保守考虑发射率具体为：若包壳表面为有氧化层，则发生率取值为0.8；若包壳表面为没有氧化层，则发生率取值为0.3。
第二方面，提供了一种堆芯中组件间辐射换热模拟系统，包括：
模型构建模块，用于建立由热棒、热组件、平均组件三个目标件构成的几何模型，并沿轴线方向对几何模型分段；
功率配置模块，用于依据几何模型的几何参数为三个目标件配置相应的功率份额；
因子分析模块，用于依据几何模型中的堆芯设计特征数据分别分析得到每一分段模型中三个目标件相对于相应关联件的辐射视角因子；
模拟分析模块，用于当几何模型的模拟运行参数达到预设条件时，通过辐射换热模型计算出每一个辐射视角因子所对应的辐射换热量，并将同属一个部件的辐射换热量求和得到分段模型中相应目标件的总辐射换热量。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法，通过考虑热棒、热组件、平均组件之间的辐射换热影响，同时考虑了反射率的影响对整个几何模型进行分段处理，可以模拟分析出合理的辐射换热量，使得整个堆芯计算获得的包壳峰值温度相对于传统的计算结果大小降低约100K左右，提升安全裕量，同时提升设计灵活度，为更加精细化的模拟不同组件包壳温度变化打下基础；
2、本发明在保证辐射换热量的分析结果的准确性与可靠性的情况下，极大程度的简化了不同段的分段模型之间的辐射换热，减少了模拟分析的数据处理量，复杂程度低；
3、本发明在辐射换热量分析时，考虑了模拟的保守性和数值稳定性，使得辐射换热量的分析结果更加稳定可靠。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中三个目标件的相对位置示意图；
图3是本发明实施例中的系统框图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、热棒；2、热组件；3、平均组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法，如图1与图2所示，包括以下步骤：
步骤一：建立由热棒1、热组件2、平均组件3三个目标件构成的几何模型，并沿轴线方向对几何模型分段；
步骤二：依据几何模型的几何参数为三个目标件配置相应的功率份额；
步骤三：依据几何模型中的堆芯设计特征数据分别分析得到每一分段模型中三个目标件相对于相应关联件的辐射视角因子；
步骤四：当几何模型的模拟运行参数达到预设条件时，通过辐射换热模型计算出每一个辐射视角因子所对应的辐射换热量，并将同属一个部件的辐射换热量求和得到分段模型中相应目标件的总辐射换热量。
在发生失水事故时，整个堆芯在事故进程的大部分时间会处于裸露状态，进而堆芯温度上升较快。在核电厂设计中，堆芯会分为冷通道、平均组件3通道、热组件2通道，此外还有热棒1。由于不同的组件，功率水平差异较大，因此在事故进程中，包壳温度会有较大的差异，例如，热组件2温度比平均组件3温度高300～500K。在这种情况下，不同组件之间存在明显的热辐射效应，该热辐射效应使得热棒1、热组件2包壳峰值温度下降，平均组件3整体温度略有上升，因此会降低整个堆芯的包壳峰值温度，对于整个堆芯而言，包壳峰值温度存在于热棒1和热组件2流道中。
组件之间的辐射换热量与以下因素密切相关：燃料棒材料(决定发射率)、组件之间的布置方式(决定辐射视角)、组件间的功率水平差异。因此，合理估算组件之间的辐射换热，需要结合对象特点进行合理建模，从而模拟出合理的辐射换热量，进而为更加精细化的模拟不同组件包壳温度变化打下基础。
在本实施例中，辐射视角因子所对应的辐射换热量计算过程具体为：确定分段模型中的发射率；依据辐射视角因子所对应的目标件表面温度的四次方与关联件表面温度的四次方之差，得到温差计算值；将发射率、辐射视角因子、温差计算值以及玻尔兹曼常数相乘后，得到辐射视角因子所对应的辐射换热量。
在保证辐射换热量的分析结果的准确性与可靠性的情况下，极大程度的简化了不同段的分段模型之间的辐射换热，减少了模拟分析的数据处理量，复杂程度低。因此，热棒1的关联件为同一分段模型中的热组件2；热组件2的关联件为同一分段模型中的热棒1和平均组件3；平均组件3的关联件为同一分段模型中的热组件2以及相邻分段模型中的平均组件3。
在本实施例中，热棒1相对于热组件2的辐射视角因子为1。热组件2相对于热棒1的辐射视角因子为热组件2内燃料棒数的倒数；热组件2相对于平均组件3的辐射视角因子为1与平均组件3内燃料棒数的倒数之间的差值。平均组件3相对于热组件2的辐射视角因子为堆芯中热组件2数量和平均组件3数量之和的倒数；平均组件3相对于相邻分段模型中的平均组件3的辐射视角因子为1与堆芯中热组件2数量和平均组件3数量之和的倒数之间的差值。
在进行辐射换热计算时，由于燃料棒具有一定的高度，例如华龙一号反应堆燃料棒轴向高度为3.68m，因此需要沿轴向将燃料棒分为N段，可分为18或24段，在对各组件进行辐射换热计算时，每一小段都应单独计算辐射换热量。
如图2所示，对于压水堆核电厂，有三种特殊组件，它们之间存在辐射换热：热棒1组件、热组件2、平均组件3。热棒1存在于热组件2中，热组件2周围被平均组件3包围。
因此，在建模过程中，分别对三种形式的燃料棒进行建模，目标件的功率份额配置具体为：热棒1的功率份额为核焓升因子与堆芯中所有燃料棒数的比值。热组件2的功率份额为核焓升因子同时除以堆芯中热组件2数量与平均组件3数量之和、热棒1的功率与热组件2的平均功率之间的比值后，与热棒1的功率份额的差值。平均组件3的功率份额为1同时减去热棒1的功率份额、热组件2的功率份额后的差值。
预设条件具体为：保守考虑发射率情况下，当目标件的包壳温度大于900K且空泡份额大于0.5时启用辐射换热模型。
作为一种可选的实施方式，保守考虑发射率具体为：若包壳表面为有氧化层，则发生率取值为0.8；若包壳表面为没有氧化层，则发生率取值为0.3。
实施例2：一种堆芯中组件间辐射换热模拟系统，该模拟系统用于实现实施例1中所记载的模拟方法，如图3所示，包括模型构建模块、功率配置模块、因子分析模块和模拟分析模块。
其中，模型构建模块，用于建立由热棒1、热组件2、平均组件3三个目标件构成的几何模型，并沿轴线方向对几何模型分段。功率配置模块，用于依据几何模型的几何参数为三个目标件配置相应的功率份额。因子分析模块，用于依据几何模型中的堆芯设计特征数据分别分析得到每一分段模型中三个目标件相对于相应关联件的辐射视角因子。模拟分析模块，用于当几何模型的模拟运行参数达到预设条件时，通过辐射换热模型计算出每一个辐射视角因子所对应的辐射换热量，并将同属一个部件的辐射换热量求和得到分段模型中相应目标件的总辐射换热量。
工作原理：本发明通过考虑热棒1、热组件2、平均组件3之间的辐射换热影响，同时考虑了反射率的影响对整个几何模型进行分段处理，可以模拟分析出合理的辐射换热量，使得整个堆芯计算获得的包壳峰值温度相对于传统的计算结果大小降低约100K左右，提升安全裕量，同时提升设计灵活度，为更加精细化的模拟不同组件包壳温度变化打下基础。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法，其特征是，包括以下步骤：
建立由热棒、热组件、平均组件三个目标件构成的几何模型，并沿轴线方向对几何模型分段；
依据几何模型的几何参数为三个目标件配置相应的功率份额；
依据几何模型中的堆芯设计特征数据分别分析得到每一分段模型中三个目标件相对于相应关联件的辐射视角因子；
当几何模型的模拟运行参数达到预设条件时，通过辐射换热模型计算出每一个辐射视角因子所对应的辐射换热量，并将同属一个部件的辐射换热量求和得到分段模型中相应目标件的总辐射换热量；
所述辐射视角因子所对应的辐射换热量计算过程具体为：
确定分段模型中的发射率；
依据辐射视角因子所对应的目标件表面温度的四次方与关联件表面温度的四次方之差，得到温差计算值；
将发射率、辐射视角因子、温差计算值以及玻尔兹曼常数相乘后，得到辐射视角因子所对应的辐射换热量；
所述热棒的关联件为同一分段模型中的热组件；
所述热组件的关联件为同一分段模型中的热棒和平均组件；
所述平均组件的关联件为同一分段模型中的热组件以及相邻分段模型中的平均组件；
所述热棒相对于热组件的辐射视角因子为1；
所述热组件相对于热棒的辐射视角因子为热组件内燃料棒数的倒数；
所述热组件相对于平均组件的辐射视角因子为1与平均组件内燃料棒数的倒数之间的差值；
所述平均组件相对于热组件的辐射视角因子为堆芯中热组件数量和平均组件数量之和的倒数；
所述平均组件相对于相邻分段模型中的平均组件的辐射视角因子为1与堆芯中热组件数量和平均组件数量之和的倒数之间的差值；
所述目标件的功率份额配置具体为：
所述热棒的功率份额为核焓升因子与堆芯中所有燃料棒数的比值；
所述热组件的功率份额为核焓升因子同时除以堆芯中热组件数量与平均组件数量之和、热棒的功率与热组件的平均功率之间的比值后，与热棒的功率份额的差值；
所述平均组件的功率份额为1同时减去热棒的功率份额、热组件的功率份额后的差值；
所述预设条件具体为：
保守考虑发射率情况下，当目标件的包壳温度大于900K且空泡份额大于0.5时启用辐射换热模型；
其中，保守考虑发射率具体为：若包壳表面为有氧化层，则发射率取值为0.8；若包壳表面为没有氧化层，则发射率取值为0.3。
2.根据权利要求1所述的一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法，其特征是，所述几何模型中分段模型的数量为18或24。
3.一种堆芯中组件间辐射换热模拟系统，其特征是，包括：
模型构建模块，用于建立由热棒、热组件、平均组件三个目标件构成的几何模型，并沿轴线方向对几何模型分段；
功率配置模块，用于依据几何模型的几何参数为三个目标件配置相应的功率份额；
因子分析模块，用于依据几何模型中的堆芯设计特征数据分别分析得到每一分段模型中三个目标件相对于相应关联件的辐射视角因子；
模拟分析模块，用于当几何模型的模拟运行参数达到预设条件时，通过辐射换热模型计算出每一个辐射视角因子所对应的辐射换热量，并将同属一个部件的辐射换热量求和得到分段模型中相应目标件的总辐射换热量；
所述辐射视角因子所对应的辐射换热量计算过程具体为：
确定分段模型中的发射率；
依据辐射视角因子所对应的目标件表面温度的四次方与关联件表面温度的四次方之差，得到温差计算值；
将发射率、辐射视角因子、温差计算值以及玻尔兹曼常数相乘后，得到辐射视角因子所对应的辐射换热量；
所述热棒的关联件为同一分段模型中的热组件；
所述热组件的关联件为同一分段模型中的热棒和平均组件；
所述平均组件的关联件为同一分段模型中的热组件以及相邻分段模型中的平均组件；
所述热棒相对于热组件的辐射视角因子为1；
所述热组件相对于热棒的辐射视角因子为热组件内燃料棒数的倒数；
所述热组件相对于平均组件的辐射视角因子为1与平均组件内燃料棒数的倒数之间的差值；
所述平均组件相对于热组件的辐射视角因子为堆芯中热组件数量和平均组件数量之和的倒数；
所述平均组件相对于相邻分段模型中的平均组件的辐射视角因子为1与堆芯中热组件数量和平均组件数量之和的倒数之间的差值；
所述目标件的功率份额配置具体为：
所述热棒的功率份额为核焓升因子与堆芯中所有燃料棒数的比值；
所述热组件的功率份额为核焓升因子同时除以堆芯中热组件数量与平均组件数量之和、热棒的功率与热组件的平均功率之间的比值后，与热棒的功率份额的差值；
所述平均组件的功率份额为1同时减去热棒的功率份额、热组件的功率份额后的差值；
所述预设条件具体为：
保守考虑发射率情况下，当目标件的包壳温度大于900K且空泡份额大于0.5时启用辐射换热模型；
其中，保守考虑发射率具体为：若包壳表面为有氧化层，则发射率取值为0.8；若包壳表面为没有氧化层，则发射率取值为0.3。
4.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1或2中任意一项所述的一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法。
5.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1或2中任意一项所述的一种堆芯中组件间辐射换热模拟方法。
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