CN115270660B - 空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法 - Google Patents

空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法 Download PDF

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CN115270660B CN202210932651.9A CN202210932651A CN115270660B CN 115270660 B CN115270660 B CN 115270660B CN 202210932651 A CN202210932651 A CN 202210932651A CN 115270660 B CN115270660 B CN 115270660B
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Abstract

一种空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法，通过建立不同尺度下的计算模型及其耦合接口和数据接口，实现计算模型之间的数据映射和传递；然后建立收敛判断模型并定义热离子反应堆系统初始条件和初因事件，并循环进行：调用三维反应堆瞬态热传导模型迭代计算获得由多普勒展宽效应引起的反应性反馈、调用零维点堆动力学模型计算获得零维功率场到三维反应堆网格的数据映射、调用三维反应堆瞬态热传导模型计算获得反应堆物理状态、调用一维热电转换模型计算获得输出电压、电流和电功率、调用零维电磁泵模型计算获得质量流量、调用二维热管辐射散热器模型计算获得热管物理状态以及反应堆入口冷却剂平均温度；最终实现对空间热离子反应堆的研究和分析。

Description

空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法
技术领域
本发明涉及的是一种反应堆控制领域的技术，具体是一种空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法。
背景技术
随着人类对太空不断地深入探索，传统的空间电源已经难以满足航天器的需要。如何提供一种可靠且持久的能源是航空工程目前面临的难题。空间反应堆作为一种高效持久的空间电源，具有结构紧凑、质量轻、寿命长、功率覆盖范围大、环境适应能力强等优点。近年来，热管由于具有非能动性、安全可靠性高、传热能力强等特点在航天领域受到了广泛的关注。因此，热管式空间反应堆在未来航天工程中具有广泛的应用。近年来，数字孪生技术在航天工程上得到了广泛的应用。数字孪生体能够真实地反映物理实体的状态，从而辅助操作人员做出决策，发现异常等，其核心在于其多物理多尺度耦合分析程序的构建。
目前，已有的空间热离子反应堆计算程序大多使用集总参数模型，或者一维模型来描述空间热离子反应堆系统的瞬态特性行为，缺乏高维物理模型的建模分析。此外，在多尺度多物理场耦合瞬态计算中，大多程序采用显示迭代求解，没有考虑不同模块程序计算结果的收敛性，以及没有给出程序收敛的判断标准。综上，现有的多物理多尺度计算方法得出的结果缺乏一定可信度，其构建的数字孪生体获得的结果不能用于决策管理、异常分析、优化设计等。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法，考虑了不同物理场、不同空间解析度和时间解析度的系统模型之间的影响，可用于空间反应堆数字孪生体的开发，辅助操作人员进行决策管理、异常分析和优化设计等。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法，通过建立不同尺度下的计算模型及其耦合接口和数据接口，实现计算模型之间的数据映射和传递；然后建立收敛判断模型并定义热离子反应堆系统初始条件和初因事件，并循环进行：调用三维反应堆瞬态热传导模型迭代计算获得由多普勒展宽效应引起的反应性反馈、调用零维点堆动力学模型计算获得零维功率场到三维反应堆网格的数据映射、调用三维反应堆瞬态热传导模型计算获得反应堆物理状态、调用一维热电转换模型计算获得输出电压、电流和电功率、调用零维电磁泵模型计算获得质量流量、调用二维热管辐射散热器模型计算获得热管物理状态以及反应堆入口冷却剂平均温度；最终实现对空间热离子反应堆的研究和分析。
技术效果
本发明实现空间反应堆中不同尺度系统模型、不同物理场间的数据映射，以较小的计算代价达成空间三维空间热离子反应堆系统的瞬态行为高精度数值模拟；本发明考虑了多尺度多物理场耦合收敛问题，采用全局敏感性分析方法定义了基于权函数修正的关键参数范数矩阵，其能够判断计算是否收敛，实现在复杂瞬态行为时的迭代步长的增加，提高计算的准确性和计算经济性。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为实施例的网格示意图；
图中：(a)为热管翅片传热单元的二维网格示意图；(b)为反应堆三维网格示意图；
图3为实施例的第一耦合接口示意图和不同阶数多项式拟合结果图；
图中：(a)为基于函数展开法的核热耦合示意图；(b)为基于函数展开法获得不同阶数下反应堆轴向功率分布；(c)为基于函数展开法获得不同阶数下反应堆径向功率分布；
图4为实施例的权函数修正关键变量对范数贡献结果示意图；
图5为实施例的提出的热管改进型TOPAZ-II反应堆系统；
图中：(a)改进的TOPAZ-1系统；(b)冷却剂进出口管道；(c)热管辐射散热器展开图；(d)改进的TOPAZ-I系统3D示意图；
图6为100％功率下反应堆和热管物理场分布云图，以及计算值与名义值的对比列表。
图中：(a)为反应堆在100％功率下三维温度场分布；(b)为热管翅片温度云图，其中上
半部分为热管；下半部分为翅片；(c)为热管速度和压力分布，其中上半部分为速度；下半部分为压力；
图7为单个时间步内迭代步数示意图；
图8为热管失效事故中改进型TOPAZ-II关键热工参数随时间变化示意图；
图9为实施例的程序空间和时间推进示意图；
图中：a为空间推进示意图；b为时间推进示意图。
具体实施方式
本实施例以TOPAZ-II空间反应堆为例，对其进行改进，即将回路式辐射散热器替换为热管式辐射散热器，并采用程序对提出的热管辐射散热器的方案进行安全评价，分析提出的热管辐射散热器在100％工况下的失效极限。如图1所示，为本实施例涉及一种空间热离子反应堆多尺度多物理场耦合分析方法的计算流程图，包括以下步骤：
步骤1、基于OpenFOAM平台，分别建立不同尺度的计算模型，通过不同模型之间的调用和迭代实现空间反应堆多尺度多物理瞬态高精度数值模拟，具体包括：
1.1开发三维反应堆多区域瞬态热传导计算模型，该模型包括以下内容：
a)采用3D CAD软件建立三维空间热离子反应堆几何模型；
b)采用CFD前处理软件对几何模型进行网格划分，如图2所示；
c)读取网格文件，开发反应堆多区域瞬态热传导计算模型，其包括：流体区域质量方程：
Figure BDA0003782114580000031
流体区域动量方程：/>
Figure BDA0003782114580000032
Figure BDA0003782114580000033
流体区域能量方程：/>
Figure BDA0003782114580000034
Figure BDA0003782114580000035
固体区域导热方程：/>
Figure BDA0003782114580000036
相邻区域边界方程：
Figure BDA0003782114580000037
其中：ρ是密度，u是某一方向的速度，ur是某一方向的相对速度，g是重力加速度，下标i，j，k代表方向，prgh是不包括静水压强的压力，τij和τtij是粘胶和湍流应力，h是一个流体单元的总能量，k是动能，e是内能，qi和/>
Figure BDA00037821145800000316
分别是通过扩散和湍流效应传递给流体单元的能量，r是热源，Rad是辐射热源，α是热扩散率，下标f表示流体区域，下标s表示固体区域，下标n表示与边界垂直的法线方向，k是热导率。
1.2基于OpenFOAM平台，采用面向对象编程思想，开发二维热管辐射散热器计算模型，其主要单元为热管翅片模型，包括热管和翅片模型，其网格如图2所示，其中热管包括三个区域：蒸气通道、吸液芯、管壁，具体包括：
a)质量方程包括：蒸气通道
Figure BDA0003782114580000038
吸液芯/>
Figure BDA0003782114580000039
Figure BDA00037821145800000310
b)动量方程包括：蒸气通道
Figure BDA00037821145800000311
Figure BDA00037821145800000312
吸液芯
Figure BDA00037821145800000313
Figure BDA00037821145800000314
c)能量方程包括：蒸气通道遵循理想气体状态方程；
吸液芯
Figure BDA00037821145800000315
管壁
Figure BDA0003782114580000041
d]气液交界面方程包括：质量方程ml→int＝mint→v，动量方程Pv＝Pl+Pcap，能量方程Ql→int＝Qint→v+mhfg，
Figure BDA0003782114580000042
e)翅片导热方程
Figure BDA0003782114580000043
其中：V是速度，m是气液交界面处的蒸发和冷凝率，m＞0代表蒸发，m＜0代表冷凝，ε是孔隙率，α是液相份额，A是蒸发冷凝面积，
Figure BDA0003782114580000044
是尘气模型的扩散系数。μ是动力粘度，keff是有效热导率，Cp是定压比热容，σ是波尔茨曼常数，Rint为热管蒸气通道半径，acc是蒸发冷凝系数，Tint是气液交界面温度。
1.3基于OpenFOAM平台，开发一维热电转换计算模型，包括电压方程、电流方程以及总功率方程，具体包括：
a)总功率方程：
Figure BDA0003782114580000045
b)电压方程：VEC＝(φE-φc)/e-VD，
Figure BDA0003782114580000046
Figure BDA0003782114580000047
c)电流方程：
Figure BDA0003782114580000048
其中：Ptot为总功率，V为电压，J为电流密度，下标c代表接收极，下标E代表发射极，φ为电子逸出功，VD为电子跨越电极间隙的电压降，TeE和TeC为等离子体-发射极和等离子体收集极电子鞘表面电子温度，d为电极间隙，λe为电子平均自由程，pCs为铯蒸气的压力，VI为铯蒸气的有效电离能。
1.4开发零维电磁泵模型开发，包括电磁泵方程：
Figure BDA0003782114580000049
K是电磁泵系数。
1.5开发零维点堆动力学计算模型，其中点堆动力学方程组包括：
Figure BDA00037821145800000410
Figure BDA00037821145800000411
其中：
Figure BDA00037821145800000412
是总反应性，/>
Figure BDA00037821145800000413
是外部引入反应性，/>
Figure BDA00037821145800000414
是多普勒反应性，n是中子通量密度，β是缓发中子份额，Λ是中子代时间，Ci是第i个缓发先驱核浓度，λi是第i个缓发先驱核的衰变常数，i＝1，2...6。
步骤2、开发耦合接口和数据接口，具体包括：
2.1第一耦合接口：该接口的功能是通过函数展开法将零维反应堆功率映射到反应堆三维温度场的网格中，其原理和结果如图3所示。根据空间热离子反应堆的几何特征，采用Legendre多项式和Zernike多项式在柱坐标系中近似功率分布：
Figure BDA00037821145800000415
Figure BDA00037821145800000416
其中：q是功率；Pn(z)是Legendre多项式；/>
Figure BDA00037821145800000417
是Zernike多项式；通过遍历输入三维反应堆非结构化网格中燃料区域的中心坐标，获得相应网格的功率密度，从而构建三维反应堆功率场，实现零维反应堆功率到三维反应堆温度场的数据映射。如图3所示，为不同阶数多项式拟合效果示意图，由图3可知，当阶数大于10以后，功率分布较为稳定。本实施例取10阶多项式来近似功率分布。
2.2第一数据接口：提取反应堆燃料平均温度，并计算由于燃料平均温度变化引起的多普勒展宽效应，将多普勒展宽效应产生的反应性传递给零维点堆动力学计算模型，多普勒系数和多普勒反应性为：
Figure BDA0003782114580000051
其中：αT是多普勒系数，f是温度，keff是有效倍增因子。Tref是参考温度，ρref是参考反应性，ρdoppler是多普勒反应性。
2.3第二数据接口：提取反应堆发射极和接收极网格的温度并取其平均值，将发射极和接收极的平均温度传递给一维热电转换模型；
2.4第三数据接口：将一维热电转换计算模型输出的电磁泵电流传递给零维电磁泵模型。
2.5第四数据接口：将零维电磁泵计算模型输出的质量流量传递给二维热管辐射散热器模型，同时更新三维反应堆多区域模型入口面处网格的速度大小；
2.6第五数据接口：提取反应堆出口处的冷却剂区域的网格温度，并计算其平均值，将反应堆出口冷却剂平均温度传递给二维辐射散热器模型；
2.7第六数据接口：将二维热管辐射散热器输出的反应堆冷却剂入口平均温度传递给三维反应堆多区域瞬态热传导计算模型，更新反应堆入口处冷却剂区域的网格温度。
步骤3：开发程序收敛判断模型，具体包括：
3.1定义关键变量数组：罗列出各个计算模型的变量，以稳态工况下各参数大小为基准，以燃料最高温度，反应堆输出总电功率为评价变量，分别计算在某一变量数值变化0.9或1.1倍下最终程序收敛结果，分析结果中评价变量与基准值的偏差，从而找出对评价变量影响较为显著的变量，定义关键变量数组，如下表所示：
功率变化：P<sub>n+1</sub>/P<sub>n</sub> 质量流量 热管蒸发段平均温度 热管的辐射散热量
冷却剂出口平均温度 冷却剂入口平均温度 发射极平均温度 接收极平均温度
不锈钢平均温度 慢化剂平均温度 燃料平均温度 燃料最高温度
反应堆输出总电功率
3.2程序收敛判断模型：考虑到不同参数不同数量级的影响，可以将关键变量数组中的变量分为7组，并采用权函数进行修正。权函数是通过全局敏感性分析方法法获得。本实施例采用的全局敏感性分析方法是Sabols方法，确保关键参数组中的各个参数对向量组范数的贡献是一个数量级的，具体为：
Figure BDA0003782114580000061
其中：ρi是第i个关键变量的权函数，xi是第i个关键变量，xi，ref是第i个变量的参考值，ψ是加权修正后的范数，修正前后结果如图4所示。从图4中可以看出，修正后各个关键变量对范数的贡献值相近。在程序计算中，判断程序结果是否收敛，是通过计算某一时刻第t+1次迭代所得的关键变量组与第t次迭代所得的关键变量数组之差的权函数修正的2范数，并判断其大小与设定值的关系，具体为：/>
Figure BDA0003782114580000062
Figure BDA0003782114580000063
其中：xt是某一时间步长内第t次迭代计算的结果。本实施例中设定值设置为0.001，当ψ小于0.001，则认为程序达到收敛；反之，则认为程序结果未收敛。
3.3加速收敛处理模型：在程序迭代计算过程中，采用连续松弛因子法加快程序收敛能力以及求解的数值稳定性，即通过与上一步的结果进行加权求和来对当前计算结果修正，具体为：xn＝αnxn-1/2+(1-αn)xn-1，an∈(0，2]。
步骤4：定义反应堆和热管初始条件，具体包括：
4.1基于三维反应堆多区域瞬态热传导模型，通过设定TOPAZ-II反应堆100％功率状态下的边界条件，计算获得稳态工况下的反应堆状态；
4.2设计并提出热管辐射散热器的设计参数，热管辐射散热器结构示意图和参数如图5所示，其热管辐射散热器参数如下表所示：
Figure BDA0003782114580000064
基于二维热管辐射散热器程序，通过定义100％功率状态下的系统参数，获得100％功率状态下的热管辐射散热器中的热管和翅片的初始状态；
4.3未参与初始稳态调试的变量，其初始值设置为0或者1。
步骤5：在程序中定义触发瞬态行为的初因事故。
本实施例以热管改进型TOPAZ-II反应堆为例，假设热管辐射散热器由于受到太空垃圾、陨石撞击等事故，导致热管辐射散热器中有52根热管受损，不能使用，即在0s时刻热管数量减少20％，分析在无任何操作下，反应堆有无熔堆的风险。
步骤6：第一数据接口提取反应堆燃料区域网格的平均温度，计算由多普勒展宽效应引起的反应性反馈，即多普勒反应性，并将多普勒反应性传递给零维点堆动力学计算模型。
步骤7：采用零维点堆动力学计算模型计算获得下一时刻的反应堆功率，并通过耦合接口1将反应堆功率映射到三维反应堆温度场的非结构网格中。
步骤8：采用三维反应堆多区域瞬态热传导模型计算获得三维反应堆物理状态，并通过第二数据接口将发射极平均温度和接收极平均温度传递给一维热电转换模型。
步骤9：采用一维热电转换计算模型计算获得电磁泵电流，并通过第三数据接口将电磁泵电流传递给零维电磁泵模型。
步骤10：采用零维电磁泵模型计算获得反应堆系统的质量流量，并通过第四数据接口更新三维反应堆模型入口面冷却剂区域网格的速度。
步骤11：通过第五数据接口将反应堆出口处冷却剂平均温度传递二维热管辐射散热器计算模型，并采用二维辐射散热模型计算获得反应堆入口处的冷却剂平均温度。
步骤12：采用收敛判断模型判断关键参数组范数是否满足设定条件，当满足，进入步骤13。当不满足，通过第六数据接口将二维热管辐射散热器计算模型获得的反应堆入口处的冷却剂平均温度传递给三维反应堆多区域瞬态热传导模型，重复步骤6～11。
步骤13：进入下一时间步长，判断是否达到终止时间，当达到终止时间则结束程序计算。反之，则重复步骤6～12。
经过具体实际实验，在40核CPU，64GB运行内存，硬盘400GB的计算机配置，Ubuntu18.04.06的操作系统下，运行上述方法开展对热管改进式TOPAZ-II反应堆进行评价。本发明提出的方法最低计算机配置要求：CPU:4核以上，内存：6GB以上，硬盘：2GB以上。系统为Linux系统，且需要装有OpenFOAM框架。
如图6所示，为100％功率下反应堆和热管物理场分布云图，以及计算值与名义值的对比列表。图6中有不同尺度的模型输出结果，体现程序的多尺度耦合特性，可实现不同解析度模型输出。此外，基于计算值和名义值的对比可知，本实施例得到的热管辐射散热器能够满足100％工况下的散热需要，且基于工程上最大可信原则可知，本实施例得到的热管辐射散热器能够满足0-100％之间任意工况的需要。
如下表所示，为TOPAZ-II关键热工参数名义值与程序计算值比较；
Figure BDA0003782114580000081
如图7所示，为每个时间步内迭代步数示意图。从图7可以看出，在工况初始阶段，由于物理现象较为复杂，各个程序间耦合较为紧密，程序迭代步数增加。而在后期，由于物理现象变化开始变得缓慢，各程序间的联系减弱，程序迭代步数减小。因此，收敛准则在本实施例中能够起到预期作用，提高程序的准确性和计算经济性。
如图8所示，为热离子燃料元件不同固体区域温度随时间变化示意图。从图中可以看出，各个区域传热存在滞后现象，即达到峰值温度的时间不同。根据程序计算结果，在失去20％热管事故，无任何人为干预下，本实施例得到的改进型TOPAZ-II反应堆系统能够依靠固有安全性保持反应堆各个区域的温度在1600s之内在安全限值以下。其中，燃料最高温度为2482K，裕量约为118K。虽然燃料最高温度在安全限值之下，但持续时间较长，约为600s，这可能存在潜在的反应堆危害。因此，要求操作人员或系统应在300s之内做出调整，使得燃料温度下降，避免反应堆熔堆现象的发生。
如图9所示，为程序的空间推进和时间推进示意图。空间上程序接口与图1数据接口相对应。时间上考虑到不同程序模型的计算时间尺度，不同模型采用不同时间步长，以提高计算的经济性和结果的准确性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法，其特征在于，通过建立不同尺度下的计算模型及其耦合接口和数据接口，实现计算模型之间的数据映射和传递；然后建立收敛判断模型并定义热离子反应堆系统初始条件和初因事件，并循环进行：调用三维反应堆瞬态热传导模型迭代计算获得由多普勒展宽效应引起的反应性反馈、调用零维点堆动力学模型计算获得零维功率场到三维反应堆网格的数据映射、调用三维反应堆瞬态热传导模型计算获得反应堆物理状态、调用一维热电转换模型计算获得输出电压、电流和电功率、调用零维电磁泵模型计算获得质量流量、调用二维热管辐射散热器模型计算获得热管物理状态以及反应堆入口冷却剂平均温度；最终实现对空间热离子反应堆的研究和分析；
所述的循环进行，具体包括：
步骤6：第一数据接口提取反应堆燃料区域网格的平均温度，计算由多普勒展宽效应引起的反应性反馈，即多普勒反应性，并将多普勒反应性传递给零维点堆动力学计算模型；
步骤7：采用零维点堆动力学计算模型计算获得下一时刻的反应堆功率，并通过耦合接口1将反应堆功率映射到三维反应堆温度场的非结构网格中；
步骤8：采用三维反应堆多区域瞬态热传导模型计算获得三维反应堆物理状态，并通过第二数据接口将发射极平均温度和接收极平均温度传递给一维热电转换模型；
步骤9：采用一维热电转换计算模型计算获得电磁泵电流，并通过第三数据接口将电磁泵电流传递给零维电磁泵模型；
步骤10：采用零维电磁泵模型计算获得反应堆系统的质量流量，并通过第四数据接口更新三维反应堆模型入口面冷却剂区域网格的速度；
步骤11：通过第五数据接口将反应堆出口处冷却剂平均温度传递二维热管辐射散热器计算模型，并采用二维辐射散热模型计算获得反应堆入口处的冷却剂平均温度；
步骤12：采用收敛判断模型判断关键参数组范数是否满足设定条件，当满足，进入步骤13；当不满足，通过第六数据接口将二维热管辐射散热器计算模型获得的反应堆入口处的冷却剂平均温度传递给三维反应堆多区域瞬态热传导模型，重复步骤6～11；
步骤13：进入下一时间步长，判断是否达到终止时间，当达到终止时间则结束程序计算；反之，则重复步骤6～12。
2.根据权利要求1所述的空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法，其特征是，所述的建立不同尺度下的计算模型及其耦合接口和数据接口，具体包括：
1.1开发三维反应堆多区域瞬态热传导计算模型，该模型包括以下内容：
a)采用3D CAD软件建立三维空间热离子反应堆几何模型；
b)采用CFD前处理软件对几何模型进行网格划分；
c)读取网格文件，开发反应堆多区域瞬态热传导计算模型，其包括：流体区域质量方程：
Figure FDA0004056178030000021
流体区域动量方程：/>
Figure FDA0004056178030000022
Figure FDA0004056178030000023
流体区域能量方程：/>
Figure FDA0004056178030000024
Figure FDA0004056178030000025
固体区域导热方程：/>
Figure FDA0004056178030000026
相邻区域边界方程：/>
Figure FDA0004056178030000027
Figure FDA0004056178030000028
其中：ρ为密度，u为某一方向的速度，ur为某一方向的相对速度，g为重力加速度，下标i，j，k代表方向，prgh为不包括静水压强的压力，τij和/>
Figure FDA0004056178030000029
为粘胶和湍流应力，h为一个流体单元的总能量，e为内能，qi和/>
Figure FDA00040561780300000210
分别为通过扩散和湍流效应传递给流体单元的能量，r为热源，Rad为辐射热源，α为热扩散率，下标f表示流体区域，下标s表示固体区域，下标n表示与边界垂直的法线方向，k为热导率；
1.2基于OpenFOAM平台，采用面向对象编程思想，开发二维热管辐射散热器计算模型，其主要单元为热管翅片模型，包括热管和翅片模型，其网格，其中热管包括三个区域：蒸气通道、吸液芯、管壁，具体包括：
a)质量方程包括：蒸气通道
Figure FDA00040561780300000211
吸液芯/>
Figure FDA00040561780300000212
Figure FDA00040561780300000213
b)动量方程包括：蒸气通道
Figure FDA00040561780300000214
Figure FDA00040561780300000215
吸液芯
Figure FDA00040561780300000216
Figure FDA00040561780300000217
c)能量方程包括：蒸气通道遵循理想气体状态方程；
吸液芯
Figure FDA00040561780300000218
管壁
Figure FDA00040561780300000219
d)气液交界面方程包括：质量方程ml→int＝mint→v，动量方程Pv＝Pl+Pcap，能量方程Ql→int＝Qint→v+mhfg，
Figure FDA00040561780300000220
e)翅片导热方程
Figure FDA00040561780300000221
其中：V为速度，m为气液交界面处的蒸发和冷凝率，m>0代表蒸发，m<0代表冷凝，ε为孔隙率，α为液相份额，A为蒸发冷凝面积，/>
Figure FDA0004056178030000031
为尘气模型的扩散系数；μ为动力粘度，keff为有效热导率，Cp为定压比热容，σ为波尔茨曼常数，Rint为热管蒸气通道半径，acc为蒸发冷凝系数，Tint为气液交界面温度；
1.3基于OpenFOAM平台，开发一维热电转换计算模型，包括电压方程、电流方程以及总功率方程，具体包括：
a)总功率方程：
Figure FDA0004056178030000032
b)电压方程：VEC＝(φE-φC)/e-VD，
Figure FDA0004056178030000033
Figure FDA0004056178030000034
c)电流方程：
Figure FDA0004056178030000035
其中：Ptot为总功率，V为电压，J为电流密度，下标c代表接收极，下标E代表发射极，φ为电子逸出功，VD为电子跨越电极间隙的电压降，TeE和TeC为等离子体-发射极和等离子体收集极电子鞘表面电子温度，d为电极间隙，λe为电子平均自由程，pCs为铯蒸气的压力，VI为铯蒸气的有效电离能；
1.4开发零维电磁泵模型，包括电磁泵方程：
Figure FDA0004056178030000036
K为电磁泵系数；
1.5开发零维点堆动力学计算模型，其中点堆动力学方程组包括：
Figure FDA0004056178030000037
Figure FDA0004056178030000038
其中：/>
Figure FDA00040561780300000314
为总反应性，
Figure FDA0004056178030000039
为外部引入反应性，/>
Figure FDA00040561780300000310
为多普勒反应性，n为中子通量密度，β为缓发中子份额，Λ为中子代时间，Ci为第i个缓发先驱核浓度，λi为第i个缓发先驱核的衰变常数，i＝1，2...6；
2.1耦合接口1：该接口的功能是通过函数展开法将零维反应堆功率映射到反应堆三维温度场的网格中，根据空间热离子反应堆的几何特征，采用Legendre多项式和Zernike多项式在柱坐标系中近似功率分布：
Figure FDA00040561780300000311
其中：q是功率；Pn(z)是Legendre多项式；/>
Figure FDA00040561780300000312
是Zernike多项式；通过遍历输入三维反应堆非结构化网格中燃料区域的中心坐标，获得相应网格的功率密度，从而构建三维反应堆功率场，实现零维反应堆功率到三维反应堆温度场的数据映射；当阶数大于10以后，功率分布较为稳定；取10阶多项式来近似功率分布；
2.2第一数据接口：提取反应堆燃料平均温度，并计算由于燃料平均温度变化引起的多普勒展宽效应，将多普勒展宽效应产生的反应性传递给零维点堆动力学计算模型，多普勒系数和多普勒反应性为：
Figure FDA00040561780300000313
其中：αT是多普勒系数，T是温度，keff是有效倍增因子，Tref是参考温度，ρref是参考反应性，ρdoppler是多普勒反应性；
2.3第二数据接口：提取反应堆发射极和接收极网格的温度并取其平均值，将发射极和接收极的平均温度传递给一维热电转换模型；
2.4第三数据接口：将一维热电转换计算模型输出的电磁泵电流传递给零维电磁泵模型；
2.5第四数据接口：将零维电磁泵计算模型输出的质量流量传递给二维热管辐射散热器模型，同时更新三维反应堆多区域模型入口面处网格的速度大小；
2.6第五数据接口：提取反应堆出口处的冷却剂区域的网格温度，并计算其平均值，将反应堆出口冷却剂平均温度传递给二维辐射散热器模型；
2.7第六数据接口：将二维热管辐射散热器输出的反应堆冷却剂入口平均温度传递给三维反应堆多区域瞬态热传导计算模型，更新反应堆入口处冷却剂区域的网格温度。
3.根据权利要求1所述的空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法，其特征是，所述的建立收敛判断模型，具体包括：
3.1定义关键变量数组：罗列出各个计算模型的变量，以稳态工况下各参数大小为基准，以燃料最高温度，反应堆输出总电功率为评价变量，分别计算在某一变量数值变化0.9或1.1倍下最终程序收敛结果，分析结果中评价变量与基准值的偏差，从而找出对评价变量影响较为显著的变量；
3.2程序收敛判断模型：考虑到不同参数不同数量级的影响，将关键变量数组中的变量分为7组，并采用权函数进行修正；权函数是通过全局敏感性分析方法获得，具体为Sabols方法，确保关键参数组中的各个参数对向量组范数的贡献是一个数量级的，具体为：
Figure FDA0004056178030000041
Figure FDA0004056178030000042
其中：ρi是第i个关键变量的权函数，xi是第i个关键变量，xi，ref是第i个变量的参考值，ψ是加权修正后的范数，修正前后结果；修正后各个关键变量对范数的贡献值相近；在程序计算中，判断程序结果是否收敛，是通过计算某一时刻第t+1次迭代所得的关键变量组与第t次迭代所得的关键变量数组之差的权函数修正的2范数，并判断其大小与设定值的关系，具体为：/>
Figure FDA0004056178030000043
其中：xt是某一时间步长内第t次迭代计算的结果；
所述的设定值设置为0.001，当ψ小于0.001，则认为程序达到收敛；反之，则认为程序结果未收敛；
3.3加速收敛处理模型：在程序迭代计算过程中，采用连续松弛因子法加快程序收敛能力以及求解的数值稳定性，即通过与上一步的结果进行加权求和来对当前计算结果修正，具体为：xn＝αnxn-1/2+(1-αn)xn-1，αn∈(0，2]。
4.根据权利要求1所述的空间热离子反应堆瞬态行为多尺度多物理场耦合分析方法，其特征是，所述的定义热离子反应堆系统初始条件和初因事件，具体包括：
4.1基于三维反应堆多区域瞬态热传导模型，通过设定TOPAZ-II反应堆80％功率状态下的边界条件，计算获得稳态工况下的反应堆状态；
4.2基于二维热管辐射散热器模型，通过定义80％功率状态下的系统参数，获得80％功率状态下的热管辐射散热器中的热管和翅片的初始状态；
4.3未参与初始稳态调试的变量，其初始值设置为0或者1；
以反应堆从80％功率状态降为20％功率状态为研究工况，通过定义外部反应性输入，即引入一个负的反应性，观察满80％功率状态下TOPAZ-II反应堆的瞬态行为过程，反应堆的反应性变化和功率变化；引入负的外部反应性后，总反应性为负值，使得功率开始下降，当多普勒反应性等于外部反应性时，总反应性为0，功率最后稳定在20％。
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