CN115169265B - 基于数值分析的搅混系数分析方法、系统、设备和介质 - Google Patents

基于数值分析的搅混系数分析方法、系统、设备和介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数值分析的搅混系数分析方法、系统、设备和介质，方法包括：获取带格架棒束的燃料组件三维模型；采用CFD分析方法，对所述燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD的冷热通道温差结果；采用子通道分析方法，在相同公开下进行建模计算，得到基于子通道的冷热通道温差结果；比较基于CFD的冷热通道温差结果和基于子通道的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数。相较于现有通过实验获得搅混系数的方式，本发明利用数值模拟分析方法，能够快速且准确的获得燃料组件的搅混系数。

Description

基于数值分析的搅混系数分析方法、系统、设备和介质
技术领域
本发明属于反应堆热工水力设计及安全分析技术领域，具体涉及一种基于数值分析的搅混系数分析方法、系统、设备和介质。
背景技术
堆芯临界热流密度(Critical Heat Flux，CHF)的准确预测是反应堆热工水力设计的核心内容，对于核反应堆的安全性和经济性起着至关重要的作用。为了研制具有自主知识产权的先进燃料组件，获得更高的临界热流密度(CHF)和更好的水力学特性，对定位格架的结构和搅混翼形状进行了改进设计。
在压水堆堆芯的热工水力设计与安全评价中，一般采用子通道分析软件，搅混系数作为使用子通道分析程序对堆芯子通道进行热工水力分析计算的重要输入参数之一，已有研究结果表明，搅混系数主要由燃料组件的结构决定，受定位格架的结构，尤其是格架的搅混翼影响较大，受热工水力参数如系统压力、入口温度、质量流速等的影响较小。
此前，燃料组件的搅混系数一般通过试验获得，但由于试验耗费巨大，耗时较长，尤其在组件结构优化阶段需要筛选多种方案，不可能针对每个方案都开展试验，因此需要一种高效经济地获得组件搅混系数的方法。随着近年来计算流体力学分析技术(CFD)的飞速发展，在模拟燃料组件中流体的流动换热方面取得了较好的研究成果，尤其是单相CFD方法在棒束定位格架流场和温度场的计算精度已经达到了较高的精度，已经广泛应用于燃料组件热工水力性能预测和分析中，有必要尝试在设计初期阶段开展CFD分析，一定程度上替代试验，作为格架筛选和试验分析的重要参考。
发明内容
为了解决现有通过试验获得燃料组件的搅混系数的技术存在耗时长、成本高的问题，本发明提供了解决上述问题的一种基于数值分析的搅混系数分析方法，本发明利用数值模拟分析方法，能够快速且准确的获得燃料组件的搅混系数。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于数值分析的搅混系数分析方法，包括：
获取带格架棒束的燃料组件三维模型；
采用CFD分析方法，对所述燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD的冷热通道温差结果；
采用子通道分析方法，在相同公开下进行建模计算，得到基于子通道的冷热通道温差结果；
比较基于CFD的冷热通道温差结果和基于子通道的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数。
作为优选实施方式，本发明的采用CFD分析方法，对所述燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD的冷热通道温差结果，具体包括：
对所述燃料组件三维模型进行几何结构处理，获得流体域部分；
对流体域部分进行网格化处理；
采用数值模拟模型，求解计算得到关键参数，并判断关键参数是否满足预设收敛条件，如果不满足则重新进行几何结构处理和网格化处理，否则进入后续步骤；
根据求解得到的关键参数，计算得到冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值。
作为优选实施方式，本发明的对流体域部分进行网格化处理，具体为：
针对格架部分流体域，采用非结构化网格；
针对燃料棒部分流体域，采用结构化网格。
作为优选实施方式，本发明的采用子通道分析方法，在相同公开下进行建模计算，得到基于子通道的冷热通道温差结果，具体包括：
将搅混系数初始值输入子通道分析程序进行建模计算，得到相同工况下的每个子通道的关键参数；
根据得到的关键参数，计算得到冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值。
作为优选实施方式，本发明的采用下式计算冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值：
其中，S表示冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值，TH表示热通道出口平均温度，TC表示冷通道出口平均温度，ΔTave表示进出口温差。
作为优选实施方式，本发明的比较基于CFD的冷热通道温差结果和基于子通道的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数，具体为：
取两种分析方式计算得到的冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值相等时对应的搅混系数作为当前工况下对应的搅混系数值。
作为优选实施方式，本发明的方法还包括：
获得多个工况下的搅混系数值，求取平均值作为该燃料组件定位格架的搅混系数。
第二方面，本发明提出了一种基于数值分析的搅混系数分析系统，包括数据获取模块、CFD分析模块、子通道分析模块、对比分析模块；
所述数据获取模块用于获取带格架棒束的燃料组件三维模型；
所述CFD分析模块采用CFD方法，对该燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD方法的冷热通道温差结果；
所述子通道分析模块采用子通道分析方法，在相同工况下进行建模计算，得到基于子通道分析方法的冷热通道温差结果；
所述对比分析模块比较基于CFD的冷热通道温差结果和基于子通道的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数。
第三方面，本发明提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明上述方法的步骤。
第四方面，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明上述方法的步骤。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明基于子通道分析程序和CFD方法，能够快速准确获得燃料组件的搅混系数，相较于现有通过试验的方式来获得搅混系数，大大降低了所需的成本，显著提高了研发效率。
2、本发明能够为自主化燃料组件格架的筛选和反应堆热工水力设计工作提供准确可靠的技术支撑和数据支撑。
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为本发明实施例的方法流程示意图。
图2为本发明实施例的计算机设备结构示意图。
图3为本发明实施例的内外布置式格架示意图。
图4为采用本发明实施例的方法得到的内外布置式格架的搅混系数结果示意图。
图5为本发明实施例的左右布置式格架示意图。
图6为采用本发明实施例的方法得到的左右布置式格架的搅混系数结果示意图。
图7为本发明实施例的系统原理框图。
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
现有燃料组件的搅混系数通常是借助试验得到的，然而试验方式所需成本高、耗时长。基于此，本实施例提出了一种基于数值分析的搅混系数分析方法，本实施例的方法采用CFD数值分析技术以及子通道分析技术，能够快速准确的确定搅混系数，大大提高了分析效率，并降低了试验成本。
如图1所示，本实施例的方法主要包括以下步骤：
获取带格架棒束的燃料组件三维模型。
采用CFD方法，对该燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD方法的冷热通道温差结果。
采用子通道分析方法，在相同工况下进行建模计算，得到基于子通道分析方法的冷热通道温差结果。
通过比较基于CFD方法的冷热通道温差结果和基于子通道分析方法的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数。
进一步的，本实施例的对燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD方法的冷热通道温差结果，具体包括以下子步骤：
对该燃料组件三维模型进行三维几何结构处理，获得流体域部分。为了保证较高质量的网格，在保证不影响流场的前提下，针对复杂的几何结构开展简化处理，获得流体域部分，具体如下：
1)针对弹簧精细化建模及弹簧刚凸与燃料棒线接触的处理，将弹簧、钢凸与燃料棒之间的线接触改为无接触，并考虑0.1mm的流动间隙；
2)对于主要关注传热效果的分析，考虑采用实心弹簧结构，保证足够计算精度的前提下，大幅减少了网格量，并极大地提高了计算的收敛效果；
3)为了提升计算速度，仅建立燃料棒外表面几何模型，在燃料棒外表面添加热源。
对流体域部分进行网格化处理。根据集合结构复杂程度的不同，分别采用不同的网格划分方法，针对格架部分流体域，由于其结构复杂，采用非结构化网格；针对燃料棒部分流体域，结构简单且比较规则，采用扫掠网格。选择一种新的混合网格粘接方法。
1)格架区仍采用四面体网格，采取全局控制、局部加密的方式设置网格尺寸，选择稳健的八叉树(Octree)算法生成四面体网格，通过网格检查和网格光顺，提高四面体网格质量。
2)棒束区网格由交界面处生成的四边形面网格沿轴向扫掠而成，按照两头密、中间疏的尺寸设置轴向曲线上线网格，将交界面上的四边形网格沿所定义轴向曲线扫掠成六面体网格，在交界面上合并网格节点，利用金字塔型网格过渡，实现计算域的连通。
采用数值模拟模型，求解计算得到关键参数，并判断关键参数是否满足预设条件，如果不满足则重新进行三维几何结构处理和网格化处理，如果满足则进行后续步骤。根据反应堆实际运行工况，设置合适的入口流量、温度、出口压力等边界条件，由于棒束通道内边界层湍流作用非常明显，近壁区湍流和过渡湍流占的比例较大，加上各种台阶结构，选择使用考虑了湍流切应力输运的SST湍流模型，添加速度等监控点，从而判断关键参数流速的稳定情况。根据求解计算的收敛性结果，判断是否满足残差小于10-5的准则，如不满足则需要重新进行三维几何结构处理和网格化处理，直到满足该准则。
根据求解计算得到的参数，得到冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值。其表达式如下：
其中，SCFD表示冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值，
TH、TC和ΔTave分别为：
其中，TH为热通道出口平均温度，Ti为每个热通道的出口温度，TC为冷通道出口平均温度，Tj为每个冷通道的出口温度，N为热通道数量，M为冷通道数量，Wi为热通道出口质量流量，Wj为冷通道出口质量流量，Tin为入口平均温度，ΔTave为进出口温差。
将搅混系数初始值输入子通道分析程序，与CFD方法分析对象保持一致进行建模计算，具体步骤如下：
1)输入计算对象对应的主参数，包括加热功率、入口流量、出口压力、冷却剂入口温度等；
2)输入棒束几何尺寸相关的数据；
3)输入径向通道划分和径向功率分布的数据；
4)输入入口流量分布的数据；
5)输入轴向划分的阻力数据。
首先根据输入的要求对水物性(热导率和定压比热容可选择)、滑速比以及用于计算两相摩擦因子的函数进行预先的制表处理，然后针对全场求解混合焓能量守恒方程、液相能量守恒方程、质量守恒方程、轴向动量守恒方程以及横向动量守恒方程。求解得到全场各通道各轴向节点处的压力、比焓、轴向质量流速以及横向质量流速。
通过计算得到相同工况下的每个子通道的出口温度和质量流量，通过编写SHELL脚本，实现流量和温度等相关数据的自动化批量处理，采用上述与CFD同样的计算方法计算得到冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值S子通道程序。需要说明的是，基于CFD计算得到的冷热通道温差相对值是一个确定值，而子通道程序针对每一个搅混系数，都会计算得到一个冷热通道温差相对值，因此是一系列与搅混系数对应的数组。
当S子通道程序＝SCFD时，采用子通道程序计算得到的该相对值对应的搅混系数，即为该工况下对应的搅混系数值。
按照上述过程，获得多个工况下的搅混系数值，并求取均值，作为该燃料组件定位格架的搅混系数。
本发明实施例提出的方法能够高效率的开展多方案的定位格架搅混特性分析，获得用于热工水力分析的搅混系数，为格架的设计提供了优化方向，从而提高燃料组件和反应堆的热工水力性能。
本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例的上述方法。
具体如图2所示，计算机设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。
计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。
计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口(局域网LAN接口)与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。
应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。
如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行基于数值分析的搅混系数分析方法的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。
实施例2
为了提高搅混系数计算的准确性，敏感性分析结果表明燃料组件在轴向上至少模拟三道格架，采用内外布置的方式，即中心9根热棒、外围16根冷棒的方式，如图3所示。为例尽量增大径向功率比，定义冷通道为冷棒加热面对于热棒加热面的通道(如图2中1～21、24、27、30)，热通道为冷棒加热面小于或等于热棒加热面的通道(如图2中的22、23、25、26、28、29、31～36)。
本实施例采用上述实施例1提出的方法对如图3所示的内外布置式格架的搅混系数进行分析，得到如图4所示的基于CFD方法的冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值(即图4所示的CFD所指曲线)以及基于子通道程序的冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值(即图4中子通道程序所指曲线)，找到两个数值曲线的交点，即S子通道程序＝SCFD，该值对应的搅混系数即为该工况下的搅混系数值。
实施例3
为了提高搅混系数计算的准确性，敏感性分析结果表明轴线上至少模拟三道格架，采用左右布置的方式，即左边9根冷棒、右边9根热棒的方式，如图5所示。尽量增大径向功率比，定义冷通道为冷棒加热面多于热棒加热面的通道，如图5中所示的1～6、17～21、30；定义热通道为冷棒加热面积小于热棒加热面的通道，如图5所示的7～10、13～16、22～25、26～29。
本实施例采用上述实施例1提出的方法对如图5所示的左右布置式格架的搅混系数进行分析，得到如图6所示的基于CFD方法的冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值(即图6所示的CFD所指曲线)以及基于子通道程序的冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值(即图6中子通道程序所指曲线)，找到两个数值曲线的交点，即S子通道程序＝SCFD，该值对应的搅混系数即为该工况下的搅混系数值。
实施例4
本实施例提出了一种基于数值分析的搅混系数分析系统，如图7所示，该系统包括：数据获取模块、CFD分析模块、子通道分析模块、对比分析模块。
其中，数据获取模块用于获取带格架棒束的燃料组件三维模型；
CFD分析模块采用CFD方法，对该燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD方法的冷热通道温差结果；
子通道分析模块采用子通道分析方法，在相同工况下进行建模计算，得到基于子通道分析方法的冷热通道温差结果；
对比分析模块通过比较两种方式下的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数。
本实施例中各模块单元具体分析过程如上述实施例1中所述，此处不再赘述。
以上所述的具体实施方式，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，以上所述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 (8)

1.一种基于数值分析的搅混系数分析方法，其特征在于，包括：
获取带格架棒束的燃料组件三维模型；
采用CFD分析方法，对所述燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD的冷热通道温差结果；
采用子通道分析方法，在相同公开下进行建模计算，得到基于子通道的冷热通道温差结果；
比较基于CFD的冷热通道温差结果和基于子通道的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数；采用CFD分析方法，对所述燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD的冷热通道温差结果，具体包括：
对所述燃料组件三维模型进行几何结构处理，获得流体域部分；
对流体域部分进行网格化处理；
采用数值模拟模型，求解计算得到关键参数，并判断关键参数是否满足预设收敛条件，如果不满足则重新进行几何结构处理和网格化处理，否则进入后续步骤；
根据求解得到的关键参数，计算得到冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值；对流体域部分进行网格化处理，具体为：
针对格架部分流体域，采用非结构化网格；
针对燃料棒部分流体域，采用结构化网格。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值分析的搅混系数分析方法，其特征在于，采用子通道分析方法，在相同公开下进行建模计算，得到基于子通道的冷热通道温差结果，具体包括：
将搅混系数初始值输入子通道分析程序进行建模计算，得到相同工况下的每个子通道的关键参数；
根据得到的关键参数，计算得到冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于数值分析的搅混系数分析方法，其特征在于，采用下式计算冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值：
其中，S表示冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值，TH表示热通道出口平均温度，TC表示冷通道出口平均温度，ΔTave表示进出口温差。
4.根据权利要求1所述的一种基于数值分析的搅混系数分析方法，其特征在于，比较基于CFD的冷热通道温差结果和基于子通道的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数，具体为：
取两种分析方式计算得到的冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值相等时对应的搅混系数作为当前工况下对应的搅混系数值。
5.根据权利要求4所述的一种基于数值分析的搅混系数分析方法，其特征在于，还包括：
获得多个工况下的搅混系数值，求取平均值作为该燃料组件定位格架的搅混系数。
6.一种基于数值分析的搅混系数分析系统，其特征在于，包括数据获取模块、CFD分析模块、子通道分析模块、对比分析模块；
所述数据获取模块用于获取带格架棒束的燃料组件三维模型；
所述CFD分析模块采用CFD方法，对该燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD方法的冷热通道温差结果；采用CFD分析方法，对所述燃料组件三维模型进行数值分析，得到基于CFD的冷热通道温差结果，具体包括：
对所述燃料组件三维模型进行几何结构处理，获得流体域部分；
对流体域部分进行网格化处理；
采用数值模拟模型，求解计算得到关键参数，并判断关键参数是否满足预设收敛条件，如果不满足则重新进行几何结构处理和网格化处理，否则进入后续步骤；
根据求解得到的关键参数，计算得到冷热通道温差相对于进出口平均温差的相对值；
对流体域部分进行网格化处理，具体为：
针对格架部分流体域，采用非结构化网格；
针对燃料棒部分流体域，采用结构化网格；
所述子通道分析模块采用子通道分析方法，在相同工况下进行建模计算，得到基于子通道分析方法的冷热通道温差结果；
所述对比分析模块比较基于CFD的冷热通道温差结果和基于子通道的冷热通道温差结果，确定当前工况下的搅混系数。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。
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