CN114997081A - 一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法 - Google Patents

一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法 Download PDF

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李捷
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Abstract

本发明公开了一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，所述的方法包括步骤如下：S1：分别以反应堆压力容器下封头、堆芯及燃料组件内的流场为对象，进行数据驱动的堆内流场流动特征和流体力分析仿真；S2：根据步骤S1的分析仿真输出的结果，建立针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件在流体激励作用下有限元离散方程的结构动力学模型，分析堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合的控制方程求解策略；S3：根据控制方程求解堆芯结构的力学行为，并对求解的输入‑输出样本的数据进行敏感性分析和不确定性量化，完成对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析。

Description

一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析 方法
技术领域
本发明涉及核能科学与工程技术领域，更具体的，涉及一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法。
背景技术
反应堆的数字孪生也被称为数字反应堆，是一种基于高速的并行计算技术，利用多物理、多尺度耦合技术，集成并优化各专业物理程序，在超大规模的高性能计算机环境中，预测模拟核反应堆全生命周期内各种特性的先进数值仿真技术。
高功率的大型压水反应堆可能出现具有一定时空分布规律的中子通量波动(中子噪声)。一种典型的低频中子噪声时空分布规律：空间层面，中子通量较高区域和较低区域沿对角线分布；时间层面，两个对角区域的中子通量会交替出现一端升高、另一端降低的现象。通过对中子探测器监测数据的频谱特性分析，推断诱发上述分布规律的中子噪声的主要原因是流致振动引起的燃料组件变形。具体机理为：燃料组件振动会导致相邻组件之间以及最外围组件与堆芯围板之间冷却剂流道发生扰动，压水堆中水既是冷却剂，又是慢化剂，流道扰动会通过水对中子的慢化作用影响中子通量的波动。中子噪声幅度的增加可能导致反应堆保护系统的误动作，影响反应堆的正常运行。对于燃料组件振动变形诱发的中子噪声，中子探测器监测到中子通量的波动幅值一定程度上反映了堆内燃料组件的振动响应。
如果能够建立流致振动行为与中子噪声之间的映射关系，便能在全堆芯流致振动数值模型的基础上，融合和同化中子探测器监测数据，借助堆内结构振动行为的数字孪生技术，监测堆芯燃料组件的振动状态。
发明内容
本发明为了解决以上现有技术存在不足与缺陷的问题，提供了一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，所述的方法包括步骤如下：
S1：分别以反应堆压力容器下封头、堆芯及燃料组件内的流场为对象，进行数据驱动的堆内流场流动特征和流体力分析仿真；
S2：根据步骤S1的分析仿真输出的结果，建立针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件在流体激励作用下有限元离散方程的结构动力学模型，分析堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合的控制方程求解策略；
S3：根据控制方程求解堆芯结构的力学行为，并对求解的输入-输出样本的数据进行敏感性分析和不确定性量化，完成对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析。
优选地，步骤S1，具体地，分别以反应堆压力容器下封头和堆芯及燃料组件内的流场为对象，采用CFD仿真结合体视粒子图像测速法实验获取不同参数下的流场数据，建立数据驱动分析数据池；
基于数据驱动分析数据池建立各种降阶模型，具体：
采用特征分解方法提取不同设计参数下的流动主模态，并采用系统辨识方法建立堆内结构设计参数和流动特征、流量分配、流体激励之间相互映射的压力容器下封头流场静态降阶模型、燃料组件通道流场静态降阶模型、燃料组件子通道流场动态降阶模型。
进一步地，建立压力容器下封头流场静态降阶模型，具体如下：其计算域中包括入水管、下降腔和堆芯；其中，入水管和下降腔为上游流体域，堆芯为下游流体域；
考虑下封头流场下游的影响，采用堆芯多孔介质建模，根据CFD仿真结果，选取流量最大的工况与已有的工程实验结果数据进行对比，反复迭代计算，以获取流场计算数据；
然后，基于系统辨识方法构建堆内结构设计参数和流速指标之间的压力容器下封头流场静态降阶模型，实现输出任意给定设计参数下的堆芯入口流速分布特征。
再进一步地，建立燃料组件通道流场静态降阶模型的样本库来源于CFD仿真计算和可视化实验结果；
所述的燃料组件通道流场静态降阶模型的输入包括燃料组件通道流体边界上的流速分布特征和流道内部的结构特征；
所述的燃料组件通道流场静态降阶模型的输出为组件通道内部各子通道的流速分布；
其中，作为输入的燃料组件通道流体边界上的流速分布特征通过压力容器下封头流场静态降阶模型与堆芯多孔介质模型串联计算得到。
再进一步地，建立燃料组件子通道流场动态降阶模型的样本数据来源于瞬态CFD仿真计算结果，融合SPIV实验的子通道级流场观测结果，并结合已有的作用在燃料棒上流体力的实验数据和经验数据；
所述的燃料组件子通道流场动态降阶模型的输出为作用在子通道边界上的湍流力和流弹力分布特征；
所述的燃料组件子通道流场动态降阶模型的输入包括子通道流体边界上的流速分布特征和子通道内的结构特征；
其中，作为输入的子通道流体边界上的流速分布特征来源于燃料组件通道流场静态降阶模型的输出；
所述的结构特征包括格架数量、位置，以及搅浑翼片的大小、形状和倾角。
再进一步地，步骤S2，具体地，分别针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件三个结构的结构动力学模型，根据结构的质量和刚度分布规律，以及结构之间的非线性接触关系，分别对应建立元件级流固耦合分析模型、组件级流固耦合分析模型、堆芯级流固耦合分析模型；
采用与实验实测的固有频率和模态进行对比的方式验证对应的结构动力学简化模型；
将燃料组件子通道流场动态降阶模型输出的流体力施加在燃料棒和燃料组件对应的结构动力学模型上，采用模态分析方法计算流固耦合效应的前三阶固有频率和模态，并与工程试验数据做对比，确定的流固耦合效应的正确性；
考虑支承应力松弛、微动磨损导致的支承非线性与结构振动的相互影响，同时考虑振动过程中由于流道扰动引起的非线性流弹力，建立堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合分析方法。
再进一步地，所述的堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合分析方法，具体如下：
燃料棒振动过程中，与格架钢凸接触位置会发生微动磨损；
根据磨损公式：
Figure BDA0003673281210000041
式中，
Figure BDA0003673281210000042
为体积磨损率，K为磨损系数，
Figure BDA0003673281210000043
为磨损功率，是接触力Fn与滑动距离S的乘积的时间导数：
Figure BDA0003673281210000044
滑动距离S根据振动位移响应实时计算，接触力Fn又受到堆内辐照产生的应力松弛影响，随时间变化；
根据辐照应力松弛规律，采用松弛后夹持力对微动磨损深度进行计算；
当燃料棒振动方向和支承相切，支承无变形导致的接触力变化，则不考虑接触力随时间的变化率，即：
Figure BDA0003673281210000045
因此评估实际的磨损深度，需要考虑两个振动方向的耦合，并采用式(2)计算磨损功率，再由式(1)计算磨损体积，并根据几何形貌计算磨损深度；
此外，支承应力松弛、微动磨损和燃料棒振动是相互耦合的，拟通过记录燃料组件在堆内的服役时间和累积磨损历程，根据松弛和磨损对振动影响程度，在间隔一定时间后，更新振动计算的系数矩阵和边界条件。
再进一步地，对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析，具体如下：
根据式(4)将燃料棒各位置的流体力进行叠加，得到作用在组件级的燃料组件上的流体力：
F＝∫PdΩ (4)
式中，p为燃料棒各位置的流体力，F为组件级的燃料组件的流体力，Ω为积分区域；
输入各个燃料组件对应的结构动力学模型上的流体力分布，根据式(5)计算全堆芯燃料组件整体流致振动响应；
Figure BDA0003673281210000046
式中，方程左边为结构运动方程，M、
Figure BDA0003673281210000047
K、X分别为质量矩阵、加速度矩阵、速度矩阵、刚度矩阵、位移矩阵；方程右边为流体作用在结构上的力，其中第一项FT为各个燃料组件对应的结构动力学模型上湍流力，通过实验测定；第二项FF为各个燃料组件梁模型上的流体力，t为时间；
结合上下堆芯板变形、堆芯围板松动两种影响因素，分析堆芯整体模态以及非线性流弹力引起的各模态之间的耦合模态；
结合式(5)对堆芯整体的流致振动响应分析，得到燃料组件的振动响应，根据振动响应可得到全堆芯各位置流道扰动的时空分布规律。
再进一步地，针对存在异常的燃料组件，提取燃料组件上各个位置的详细流体力分布，施加到各个元件级的燃料棒的结构动力学模型上，具体分析单根燃料棒的振动行为，并利用多非线性因素多时空尺度耦合分析方法，对燃料棒支承应力松弛、微动磨损和振动响应进行耦合分析。
再进一步地，采用数据驱动理念，通过蒙特卡罗采样，建立结构和流场输入参数的样本空间；
然后调用多层级流致振动分析方法，计算不同输入参数下堆芯结构的流致振动响应，构建输入-输出样本的数据池；
基于所述的数据池，通过数据挖掘和机器学习手段，建立代理模型，分析设计参数对堆芯结构流致振动和磨损的贡献程度和统计规律；结合机理实验和工程试验结果，应用贝叶斯推断，基于特定试验工况对代理模型进行修正和校准，得到堆芯结构参数的后验概率密度分布，提高代理模型的合理性和准确性。
此外，结合设计要求、制造公差、安装偏差和计算误差对关键参数的不确定性进行量化；应用最大熵原理，建立特定条件下输入参数的概率密度分布函数；应用马尔科夫蒙特卡洛方法，在高维样本空间下对服从概率密度分布函数分布的参数集合进行采样；
通过代理模型批量计算马尔科夫蒙特卡洛方法采样下堆芯结构的流致振动响应的统计规律和分布情况，进而对随机参数下振动行为的不确定性进行分析。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，针对大型压水堆出现的流致振动导致燃料棒破损的问题，建立反应堆堆芯结构流致振动的数字孪生，以期真实反映燃料组件振动行为，并体现全堆芯整体振动模态，全面探索多非线性因素与振动相互影响的物理机制，揭示多时空尺度的流致振动机理与行为规律，为从设计上降低堆芯结构振动响应提供理论指导，同时为利用中子噪声监测堆内振动状态进行技术储备。
附图说明
图1是本发明所述的方法的工作原理框图。
图2是本发明提供的定位格架对燃料棒的简化示意图。
图3是本发明提供的燃料组件的简化示意图。
图4是本发明提供的全堆芯燃料组件的简化示意图。
图5是本发明提供的代理模型建立流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，所述的方法包括步骤如下：
S1：分别以反应堆压力容器下封头、堆芯及燃料组件内的流场为对象，进行数据驱动的堆内流场流动特征和流体力分析仿真；步骤S1的主要目的是确定流体激励。
S2：根据步骤S1的分析仿真输出的结果，建立针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件在流体激励作用下有限元离散方程的结构动力学模型，分析堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合的控制方程求解策略；
S3：根据控制方程求解堆芯结构的力学行为，并对求解的输入-输出样本的数据进行敏感性分析和不确定性量化，完成对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析。
在一个具体的实施例中，步骤S1，具体地，分别以反应堆压力容器下封头和堆芯及燃料组件内的流场为对象，采用CFD仿真结合体视粒子图像测速法实验获取不同参数下的流场数据，建立数据驱动分析数据池；
基于数据驱动分析数据池建立各种降阶模型，具体：
采用特征分解方法提取不同设计参数下的流动主模态，并采用系统辨识方法建立堆内结构设计参数和流动特征、流量分配、流体激励之间相互映射的压力容器下封头流场静态降阶模型、燃料组件通道流场静态降阶模型、燃料组件子通道流场动态降阶模型。其中，堆内结构设计参数包括燃料元件长度、数量以及流道宽度。
在一个具体的实施例中，建立压力容器下封头流场静态降阶模型，具体如下：CFD仿真计算时，为了保证下封头内部流动具有准确的上下游边界条件，其计算域中包括入水管、下降腔和堆芯；其中，入水管和下降腔为上游流体域，堆芯为下游流体域；
由于堆芯流场本身非常复杂，且非下封头流场降阶模型研究重点，因此考虑下封头流场下游的影响，采用堆芯多孔介质建模，根据CFD仿真结果，选取流量最大的工况与已有的工程实验结果数据进行对比，反复迭代计算，以获取高精度流场计算数据；
然后，基于系统辨识方法构建堆内结构设计参数和流速指标之间的压力容器下封头流场静态降阶模型，实现输出任意给定设计参数下的堆芯入口流速分布特征，为后续探究下封头内部构件参数变化对燃料组件流致振动的影响奠定基础。
在一个具体的实施例中，建立燃料组件通道流场静态降阶模型的样本库来源于CFD仿真计算和可视化实验结果；
所述的燃料组件通道流场静态降阶模型的输入包括燃料组件通道流体边界上的流速分布特征和流道内部的结构特征；
所述的燃料组件通道流场静态降阶模型的输出为组件通道内部各子通道的流速分布；
其中，作为输入的燃料组件通道流体边界上的流速分布特征通过压力容器下封头流场静态降阶模型与堆芯多孔介质模型串联计算得到。
在一个具体的实施例中，建立燃料组件子通道流场动态降阶模型的样本数据来源于瞬态CFD仿真计算结果，融合SPIV实验的子通道级流场观测结果，并结合已有的作用在燃料棒上流体力的实验数据和经验数据；
所述的燃料组件子通道流场动态降阶模型的输出为作用在子通道边界上的湍流力和流弹力分布特征；
所述的燃料组件子通道流场动态降阶模型的输入包括子通道流体边界上的流速分布特征和子通道内的结构特征；
其中，作为输入的子通道流体边界上的流速分布特征来源于燃料组件通道流场静态降阶模型的输出；
所述的结构特征包括格架数量、位置，以及搅浑翼片的大小、形状和倾角。
本实施例中，步骤S2进行堆芯结构多时空尺度耦合分析，包括以下步骤：
分别针对单根燃料棒、单盒燃料组件和全堆芯燃料组件，根据其结构的质量和刚度分布规律，以及结构之间的非线性接触关系，建立对应的各层级降阶模型。分析结构在空气、静水和动水中的振动特性，并与实验实测结果进行对比，验证针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件对应的结构动力学模型，以及由流场降阶模型确定的流固耦合效应的正确性。考虑支承应力松弛、微动磨损等导致的支承非线性与结构振动的相互影响，同时考虑振动过程中由于流道扰动引起的非线性流弹力，建立多非线性因素多时空尺度耦合的流致振动分析方法。
在本实施例中，步骤S3，对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析，包括以下步骤：
选取典型大型压水堆的总体设计参数，通过堆内流场的不同的降阶模型，获得各层级结构的流体激励。参照有限元子结构法思想，分别建立元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件的结构动力学模型。考虑上下堆芯板变形，以及燃料组件板弹簧、格架弹簧和钢凸等因应力松弛和微动磨损导致的支承非线性，计算各层级结构动力学模型的流致振动响应。分析全堆芯燃料组件的整体振动模态，分析燃料组件之间以及外围组件和堆芯围板之间的流道变化规律。计算典型燃料棒的振动响应的同时，评价格架钢凸等位置的微动磨损。针对设计要求、制造公差、安装偏差和计算误差等多因素对振动行为的影响，开展敏感性分析和不确定性量化，从而构建适用于未来利用中子噪声进行堆内振动状态监测的数字孪生。
实施例2
如图1所示，一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，所述的方法包括步骤如下：
S1：分别以反应堆压力容器下封头、堆芯及燃料组件内的流场为对象，进行数据驱动的堆内流场流动特征和流体力分析仿真；步骤S1的主要目的是确定流体激励。
S2：根据步骤S1的分析仿真输出的结果，建立针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件在流体激励作用下有限元离散方程的结构动力学模型，分析堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合的控制方程求解策略；
S3：根据控制方程求解堆芯结构的力学行为，并对求解的输入-输出样本的数据进行敏感性分析和不确定性量化，完成对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析。
步骤S1的具体说明如实施例1所述。本实施例对步骤S2进行详细说明如下：
步骤S2，具体地，分别针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件三个结构的结构动力学模型，根据结构的质量和刚度分布规律，以及结构之间的非线性接触关系，分别对应建立元件级流固耦合分析模型、组件级流固耦合分析模型、堆芯级流固耦合分析模型；
参见图2，所述的元件级的燃料棒的结构动力学模型，考虑为细长均匀梁模型，将定位格架上钢凸和弹簧对燃料棒的支承作用简化为非线性弹簧约束，弹簧初始间隙设为负值，模拟对燃料棒的夹持。
参见图3，所述的组件级的燃料组件的结构动力学模型分为两根梁，一根梁代表组件格架，一根梁代表燃料棒，两根梁之间通过非线性弹簧连接，模拟骨架对燃料棒的约束作。
参见图4，所述的全堆芯燃料组件的结构动力学模型，进一步将燃料组件模型的两根梁合并为一根梁，表征燃料组件整体刚度。相邻燃料组件的格架处通过带间隙的弹簧单元连接，弹簧刚度包括外刚度和内刚度，外刚度为相邻格架碰撞的接触刚度，内刚度为碰撞后的结构变形刚度。内外刚度数值来源于格架撞墙试验。
针对不同层级的结构动力学模型，采用与实验实测的固有频率和模态进行对比的方式进行验证。
首先验证在微幅线性振动情况，结构动力学模型的质量分布和刚度分布与真实结构一致。在此基础上增加的非线性参数，包括燃料组件碰撞的内外刚度等，来源于实际结构的试验实测值，能够保证模型在非线性情况下的准确性。
针对具体反应堆型号，建立燃料棒和燃料组件的结构动力学模型，通过与已有的工程试验在空气中测得的前三阶固有频率和模态(干模态)进行对比，验证结构动力学模型简化的正确性。
将燃料组件子通道流场动态降阶模型输出的流体力施加在燃料棒和燃料组件对应的结构动力学模型上，采用模态分析方法计算流固耦合效应的前三阶固有频率和模态，并与工程试验数据做对比，确定的流固耦合效应的正确性；
考虑支承应力松弛、微动磨损导致的支承非线性与结构振动的相互影响，同时考虑振动过程中由于流道扰动引起的非线性流弹力，建立堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合分析方法。
在一个具体的实施例中，所述的堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合分析方法，具体如下：
燃料棒振动过程中，与格架钢凸接触位置会发生微动磨损；
根据磨损公式：
Figure BDA0003673281210000101
式中，
Figure BDA0003673281210000102
为体积磨损率，K为磨损系数，
Figure BDA0003673281210000103
为磨损功率，是接触力Fn与滑动距离S的乘积的时间导数：
Figure BDA0003673281210000104
滑动距离S根据振动位移响应实时计算，接触力Fn又受到堆内辐照产生的应力松弛影响，随时间变化；
根据辐照应力松弛规律，采用松弛后夹持力对微动磨损深度进行计算；
当燃料棒振动方向和支承相切，支承无变形导致的接触力变化，则不考虑接触力随时间的变化率，即：
Figure BDA0003673281210000105
但实际上，燃料棒振动导致的微动磨损通常是冲切耦合的。因此评估实际的磨损深度，需要考虑两个振动方向的耦合，并采用式(2)计算磨损功率，再由式(1)计算磨损体积，并根据几何形貌计算磨损深度；
此外，支承应力松弛、微动磨损和燃料棒振动是相互耦合的，拟通过记录燃料组件在堆内的服役时间和累积磨损历程，根据松弛和磨损对振动影响程度，在间隔一定时间后，更新振动计算的系数矩阵和边界条件。
实施例3
如图1所示，一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，所述的方法包括步骤如下：
S1：分别以反应堆压力容器下封头、堆芯及燃料组件内的流场为对象，进行数据驱动的堆内流场流动特征和流体力分析仿真；步骤S1的主要目的是确定流体激励。
S2：根据步骤S1的分析仿真输出的结果，建立针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件在流体激励作用下有限元离散方程的结构动力学模型，分析堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合的控制方程求解策略；
S3：根据控制方程求解堆芯结构的力学行为，并对求解的输入-输出样本的数据进行敏感性分析和不确定性量化，完成对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析。
步骤S1的具体说明如实施例1所述，步骤S2的具体说明如实施例2所述。本实施例对步骤S3进行详细说明如下：
在一个具体的实施例中，通过堆内流场静态和动态相结合的降阶模型，在给定反应堆压力容器入口接管输入流速和堆内结构设计参数，高效预测作用在燃料组件各位置的流体力。
对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析，具体如下：
根据式(4)将燃料棒各位置的流体力进行叠加，得到作用在组件级的燃料组件上的流体力：
F＝∫PdΩ (4)
式中，p为燃料棒各位置的流体力，F为组件级的燃料组件的流体力，Ω为积分区域；
输入各个燃料组件对应的结构动力学模型上的流体力分布，根据式(5)计算全堆芯燃料组件整体流致振动响应；
Figure BDA0003673281210000111
式中，方程左边为结构运动方程，M、
Figure BDA0003673281210000112
K、X分别为质量矩阵、加速度矩阵、速度矩阵、刚度矩阵、位移矩阵；方程右边为流体作用在结构上的力，其中第一项FT为各个燃料组件对应的结构动力学模型上湍流力，通过实验测定；第二项FF为各个燃料组件梁模型上的流体力，t为时间；
结合上下堆芯板变形、堆芯围板松动两种影响因素，分析堆芯整体模态以及非线性流弹力引起的各模态之间的耦合模态；
结合式(5)对堆芯整体的流致振动响应分析，得到燃料组件的振动响应，根据振动响应可得到全堆芯各位置流道扰动的时空分布规律。
在一个具体的实施例中，针对存在异常的燃料组件，提取燃料组件上各个位置的详细流体力分布，施加到各个元件级的燃料棒的结构动力学模型上，具体分析单根燃料棒的振动行为，并利用多非线性因素多时空尺度耦合分析方法，对燃料棒支承应力松弛、微动磨损和振动响应进行耦合分析。
在一个具体的实施例中，如图5所示，采用数据驱动理念，通过蒙特卡罗采样，建立结构和流场输入参数的样本空间；
然后调用多层级流致振动分析方法，计算不同输入参数下堆芯结构的流致振动响应，构建输入-输出样本的数据池；
基于所述的数据池，通过数据挖掘和机器学习手段，建立代理模型，分析设计参数对堆芯结构流致振动和磨损的贡献程度和统计规律；结合机理实验和工程试验结果，应用贝叶斯推断，基于特定试验工况对代理模型进行修正和校准，得到堆芯结构参数的后验概率密度分布，提高代理模型的合理性和准确性。
此外，结合设计要求、制造公差、安装偏差和计算误差对关键参数的不确定性进行量化；应用最大熵原理，建立特定条件下输入参数的概率密度分布函数(PDF)；应用马尔科夫蒙特卡洛方法(MCMC)，在高维样本空间下对服从概率密度分布函数分布的参数集合进行采样；
通过代理模型批量计算马尔科夫蒙特卡洛方法采样下堆芯结构的流致振动响应的统计规律和分布情况，进而对随机参数下振动行为的不确定性进行分析。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：所述的方法包括步骤如下：
S1：分别以反应堆压力容器下封头、堆芯及燃料组件内的流场为对象，进行数据驱动的堆内流场流动特征和流体力分析仿真；
S2：根据步骤S1的分析仿真输出的结果，建立针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件在流体激励作用下有限元离散方程的结构动力学模型，分析堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合的控制方程求解策略；
S3：根据控制方程求解堆芯结构的力学行为，并对求解的输入-输出样本的数据进行敏感性分析和不确定性量化，完成对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析。
2.根据权利要求1所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：步骤S1，具体地，分别以反应堆压力容器下封头和堆芯及燃料组件内的流场为对象，采用CFD仿真结合体视粒子图像测速法实验获取不同参数下的流场数据，建立数据驱动分析数据池；
基于数据驱动分析数据池建立各种降阶模型，具体：
采用特征分解方法提取不同设计参数下的流动主模态，并采用系统辨识方法建立堆内结构设计参数和流动特征、流量分配、流体激励之间相互映射的压力容器下封头流场静态降阶模型、燃料组件通道流场静态降阶模型、燃料组件子通道流场动态降阶模型。
3.根据权利要求2所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：建立压力容器下封头流场静态降阶模型，具体如下：其计算域中包括入水管、下降腔和堆芯；其中，入水管和下降腔为上游流体域，堆芯为下游流体域；
考虑下封头流场下游的影响，采用堆芯多孔介质建模，根据CFD仿真结果，选取流量最大的工况与已有的工程实验结果数据进行对比，反复迭代计算，以获取流场计算数据；
然后，基于系统辨识方法构建堆内结构设计参数和流速指标之间的压力容器下封头流场静态降阶模型，实现输出任意给定设计参数下的堆芯入口流速分布特征。
4.根据权利要求3所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：建立燃料组件通道流场静态降阶模型的样本库来源于CFD仿真计算和可视化实验结果；
所述的燃料组件通道流场静态降阶模型的输入包括燃料组件通道流体边界上的流速分布特征和流道内部的结构特征；
所述的燃料组件通道流场静态降阶模型的输出为组件通道内部各子通道的流速分布；
其中，作为输入的燃料组件通道流体边界上的流速分布特征通过压力容器下封头流场静态降阶模型与堆芯多孔介质模型串联计算得到。
5.根据权利要求4所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：建立燃料组件子通道流场动态降阶模型的样本数据来源于瞬态CFD仿真计算结果，融合SPIV实验的子通道级流场观测结果，并结合已有的作用在燃料棒上流体力的实验数据和经验数据；
所述的燃料组件子通道流场动态降阶模型的输出为作用在子通道边界上的湍流力和流弹力分布特征；
所述的燃料组件子通道流场动态降阶模型的输入包括子通道流体边界上的流速分布特征和子通道内的结构特征；
其中，作为输入的子通道流体边界上的流速分布特征来源于燃料组件通道流场静态降阶模型的输出；
所述的结构特征包括格架数量、位置，以及搅浑翼片的大小、形状和倾角。
6.根据权利要求4所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：步骤S2，具体地，分别针对元件级的燃料棒、组件级的燃料组件和全堆芯燃料组件三个结构的结构动力学模型，根据结构的质量和刚度分布规律，以及结构之间的非线性接触关系，分别对应建立元件级流固耦合分析模型、组件级流固耦合分析模型、堆芯级流固耦合分析模型；
采用与实验实测的固有频率和模态进行对比的方式验证对应的结构动力学简化模型；
将燃料组件子通道流场动态降阶模型输出的流体力施加在燃料棒和燃料组件对应的结构动力学模型上，采用模态分析方法计算流固耦合效应的前三阶固有频率和模态，并与工程试验数据做对比，确定的流固耦合效应的正确性；
考虑支承应力松弛、微动磨损导致的支承非线性与结构振动的相互影响，同时考虑振动过程中由于流道扰动引起的非线性流弹力，建立堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合分析方法。
7.根据权利要求6所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：所述的堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合分析方法，具体如下：
燃料棒振动过程中，与格架钢凸接触位置会发生微动磨损；
根据磨损公式：
Figure FDA0003673281200000031
式中，
Figure FDA0003673281200000032
为体积磨损率，K为磨损系数，
Figure FDA0003673281200000033
为磨损功率，是接触力Fn与滑动距离S的乘积的时间导数：
Figure FDA0003673281200000034
滑动距离S根据振动位移响应实时计算，接触力Fn又受到堆内辐照产生的应力松弛影响，随时间变化；
根据辐照应力松弛规律，采用松弛后夹持力对微动磨损深度进行计算；
当燃料棒振动方向和支承相切，支承无变形导致的接触力变化，则不考虑接触力随时间的变化率，即：
Figure FDA0003673281200000035
因此评估实际的磨损深度，需要考虑两个振动方向的耦合，并采用式(2)计算磨损功率，再由式(1)计算磨损体积，并根据几何形貌计算磨损深度；
此外，支承应力松弛、微动磨损和燃料棒振动是相互耦合的，拟通过记录燃料组件在堆内的服役时间和累积磨损历程，根据松弛和磨损对振动影响程度，在间隔一定时间后，更新振动计算的系数矩阵和边界条件。
8.根据权利要求7所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：对堆芯结构多时空尺度流致振动行为规律分析，具体如下：
根据式(4)将燃料棒各位置的流体力进行叠加，得到作用在组件级的燃料组件上的流体力：
F＝∫PdΩ (4)
式中，p为燃料棒各位置的流体力，F为组件级的燃料组件的流体力，Ω为积分区域；
输入各个燃料组件对应的结构动力学模型上的流体力分布，根据式(5)计算全堆芯燃料组件整体流致振动响应；
Figure FDA0003673281200000041
式中，方程左边为结构运动方程，M、
Figure FDA0003673281200000042
K、X分别为质量矩阵、加速度矩阵、速度矩阵、刚度矩阵、位移矩阵；方程右边为流体作用在结构上的力，其中第一项FT为各个燃料组件对应的结构动力学模型上湍流力，通过实验测定；第二项FF为各个燃料组件梁模型上的流体力，t为时间；
结合上下堆芯板变形、堆芯围板松动两种影响因素，分析堆芯整体模态以及非线性流弹力引起的各模态之间的耦合模态；
结合式(5)对堆芯整体的流致振动响应分析，得到燃料组件的振动响应，根据振动响应可得到全堆芯各位置流道扰动的时空分布规律。
9.根据权利要求8所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：针对存在异常的燃料组件，提取燃料组件上各个位置的详细流体力分布，施加到各个元件级的燃料棒的结构动力学模型上，具体分析单根燃料棒的振动行为，并利用多非线性因素多时空尺度耦合分析方法，对燃料棒支承应力松弛、微动磨损和振动响应进行耦合分析。
10.根据权利要求8所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法，其特征在于：
采用数据驱动理念，通过蒙特卡罗采样，建立结构和流场输入参数的样本空间；
然后调用多层级流致振动分析方法，计算不同输入参数下堆芯结构的流致振动响应，构建输入-输出样本的数据池；
基于所述的数据池，通过数据挖掘和机器学习手段，建立代理模型，分析设计参数对堆芯结构流致振动和磨损的贡献程度和统计规律；结合机理实验和工程试验结果，应用贝叶斯推断，基于特定试验工况对代理模型进行修正和校准，得到堆芯结构参数的后验概率密度分布，提高代理模型的合理性和准确性。
此外，结合设计要求、制造公差、安装偏差和计算误差对关键参数的不确定性进行量化；应用最大熵原理，建立特定条件下输入参数的概率密度分布函数；应用马尔科夫蒙特卡洛方法，在高维样本空间下对服从概率密度分布函数分布的参数集合进行采样；
通过代理模型批量计算马尔科夫蒙特卡洛方法采样下堆芯结构的流致振动响应的统计规律和分布情况，进而对随机参数下振动行为的不确定性进行分析。
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CN115577583A (zh) * 2022-09-06 2023-01-06 西安交通大学 一种铅基反应堆绕丝定位燃料棒流致振动的分析方法
CN117521452A (zh) * 2023-11-07 2024-02-06 之江实验室 一种基于时空有限元模型的机器人结构件优化方法及装置

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