CN116484762A - 超临界水中事故容错燃料的传热研究方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及超临界水中事故容错燃料的传热研究方法、装置及设备。包括：得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；利用所述影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。本申请通过得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化的结果，帮助解决事故容错燃料(ATF)在高温、高压、高辐照和强腐蚀的超临界水中易鼓泡，诱发流固共轭传热多物理耦合机理改变，对传热安全产生极大挑战的问题。
Description
技术领域
本申请涉及核反应堆安全技术领域，尤其涉及超临界水中事故容错燃料的传热研究方法、装置及设备。
背景技术
超临界水堆是被国际第四代核电站技术路线图确立为最具吸引力的第四代核能系统之一，研发目标是在2030年左右进入工业应用阶段。发展至今逐步从基础研究向工业应用过渡。作为唯一的压水堆，超临界水堆运行压力高至25MPa，堆芯出口温度超过500℃，热效率高达45％，具有较高的热效率和良好的技术继承性。但是，实验发现在高温高压强腐蚀环境下锆合金包壳暴露出极大的安全问题，材料的选取遇到很大的阻碍，而其他各类堆型又发展较为迅速，更多人倾向于其他堆型，使得超临界水堆发展受到限制。
事故容错燃料(ATF)是为提高燃料元件抵御严重事故能力而开发的新一代燃料系统。与现有核燃料相比，这种新型燃料系统能够在较长时间内抵抗严重事故工况，同时保持或提高其在正常运行工况下的性能。事故容错燃料的材料特性，能延缓事态恶化的速度。
事故容错燃料(ATF)可极大提升超临界水堆的工程可行性，但是在高温、高压、高辐照和强腐蚀的超临界水中易鼓泡，诱发流固共轭传热多物理耦合机理改变，对传热安全产生极大挑战。
即现有技术中，事故容错燃料(ATF)在高温、高压、高辐照和强腐蚀的超临界水中易鼓泡，诱发流固共轭传热多物理耦合机理改变，对传热安全产生极大挑战。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中事故容错燃料(ATF)在高温、高压、高辐照和强腐蚀的超临界水中易鼓泡，诱发流固共轭传热多物理耦合机理改变，对传热安全产生极大挑战的问题，本申请提供超临界水中事故容错燃料的传热研究方法、装置及设备。
本申请的方案如下：
第一方面，本申请提供超临界水中事故容错燃料的传热研究方法，所述方法包括：
得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；
利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；
利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，
量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。
进一步地，所述得到变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，包括：
建立变形ATF燃料表面边界层内超临界水对流换热问题的数学描述，包括：湍流时均质量、动量和能量方程以及边界条件，并利用数量级分析方法将其转化为无量纲表达式；
利用所述无量纲表达式，考虑流体速度、压力、温度等热工参量的不规则脉动、拟临界区较强物性脉动以及结构变形附加湍流交混，确定变形粘滞力、超临界水浮升力的表达式；
利用所述变形粘滞力、超临界水浮升力的表达式，对质量、动量和能量方程进行积分，根据超临界水堆概念设计给定边界条件，推导变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的计算式，得到变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程。
进一步地，所述利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，包括：
利用所述本构方程，通过OpenFOAM开源计算流体力学软件，构建3-D共轭传热的多物理耦合模型；
利用所述本构方程，采用Fortran语言构建2-D共轭传热的多物理耦合模型；
利用所述3-D共轭传热的多物理耦合模型及2-D共轭传热的多物理耦合模型，模拟鼓泡通道内超临界水湍流换热现象，验证所述鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律。
进一步地，所述利用所述本构方程，通过OpenFOAM开源计算流体力学软件，构建3-D共轭传热的多物理耦合模型，包括：
利用所述本构方程，进行鼓泡燃料通道内超临界水湍流换热问题的建模，搭架固体区域和流体区域，用interface连接所述固体区域和所述流体区域；
选取不同的网格模型，对所述固体区域和所述流体区域进行网格划分，完成网格敏感性测试；
利用所述网格敏感性测试的结果，进行各参数设置，搭建几何模型、物理模型和物理边界；
利用GIF六棒束超临界湍流换热评估基准题验证湍流模型，通过迭代计算和后处理，获得通道内速度场、温度场和压力场；
采用截面平均法，反推流动阻力系数、湍流交混系数和对流传热系数，验证所述鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，得到3-D共轭传热的多物理耦合模型。
进一步地，所述流体区域，还包括：所述流体区域采用多面体网格、棱镜层网格和表面网格方法在燃料棒表面生成具有边界层的多面体单元。
进一步地，所述利用所述本构方程，采用Fortran语言构建2-D共轭传热的多物理耦合模型，包括：
利用所述本构方程，采用有限差分法离散，建立鼓泡ATF燃料导热模型；
利用所述鼓泡ATF燃料导热模型，添加鼓泡定义模块、鼓泡ATF燃料2-D导热模型、湍流阻力系数本构方程、对流换热系数本构方程，并引入隐式残差平均与多阶龙格库塔方法加速收敛方法，得到所述2-D共轭传热的多物理耦合模型。
进一步地，所述利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果，包括：
利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，模拟单棒热点鼓泡、多棒多点鼓泡两种危险模式，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。
第二方面，本申请提供超临界水中事故容错燃料的传热研究装置，所述装置包括：
获取模块，用于得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；
构建模块，用于利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；
分析模块，用于利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。
第三方面，本申请提供超临界水中事故容错燃料的传热研究设备，所述设备包括：
存储器，其上存储有可执行程序；
处理器，用于执行所述存储器中的所述可执行程序，以实现上述中任一项所述方法的步骤。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请通过得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；利用所述影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。本申请通过得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化的结果，帮助解决事故容错燃料(ATF)在高温、高压、高辐照和强腐蚀的超临界水中易鼓泡，诱发流固共轭传热多物理耦合机理改变，对传热安全产生极大挑战的问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一个实施例提供的超临界水中事故容错燃料的传热研究方法流程示意图；
图2是本申请另一个实施例提供的超临界水中事故容错燃料的传热研究装置组成示意图；
图3是本申请又一个实施例提供的超临界水中事故容错燃料的传热研究设备组成示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
超临界水堆是被国际第四代核电站技术路线图确立为最具吸引力的第四代核能系统之一，研发目标是在2030年左右进入工业应用阶段。发展至今逐步从基础研究向工业应用过渡。作为唯一的压水堆，超临界水堆运行压力高至25MPa，堆芯出口温度超过500℃，热效率高达45％，具有较高的热效率和良好的技术继承性。但是，实验发现在高温高压强腐蚀环境下锆合金包壳暴露出极大的安全问题，材料的选取遇到很大的阻碍，而其他各类堆型又发展较为迅速，更多人倾向于其他堆型，使得超临界水堆发展受到限制。燃料的研究方面很多人关注到了ATF燃料，但却无人尝试将其应用于超临界水堆进行安全研究，本申请拟将ATF应用于超临界水堆以提升超临界水堆的工程应用前景。
超临界水堆(SCWR)是六种第四代核反应堆中唯一以轻水做冷却剂的反应堆，它是在现有水冷反应堆技术和超临界火电技术基础上发展起来的革新设计。与运行的水冷堆相比，它具有系统简单、装置尺寸小、热效率高、经济性和安全性更好的特点。这让SCWR成为一种比较有前途的先进核能系统。
事故容错燃料(ATF)是为提高燃料元件抵御严重事故能力而开发的新一代燃料系统。与现有核燃料相比，这种新型燃料系统能够在较长时间内抵抗严重事故工况，同时保持或提高其在正常运行工况下的性能。事故容错燃料的材料特性，能延缓事态恶化的速度，正好可以解决超临界水堆目前由于包壳材料问题而停滞的关键难题。为人们采取应急措施争取到更多宝贵时间，大大降低放射性原料突破安全屏障泄漏到环境中的风险。各国纷纷启动ATF燃料研发项目，已提出掺杂BeO/SiC/Mo芯块、新型U3Si2/UN/U-Mo/全陶瓷微胶囊FCM/微细胞UO2芯块、SiC/FeCrAl/镀Cr锆合金包壳等多种设计方案。目前，事故容错燃料的包壳辐照稳定性、机械稳定性、化学稳定性和新燃料的化学相容性已得到初步验证。现将ATF应用于超临界进行安全模拟。
事故容错燃料(ATF)可极大提升超临界水堆的工程可行性，但是在高温、高压、高辐照和强腐蚀的超临界水中易鼓泡，诱发流固共轭传热多物理耦合机理改变，对传热安全产生极大挑战。
针对上述问题，本申请提供超临界水中事故容错燃料的传热研究方法、装置及设备。包括：得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；利用所述影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。本申请通过得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化的结果，帮助解决事故容错燃料(ATF)在高温、高压、高辐照和强腐蚀的超临界水中易鼓泡，诱发流固共轭传热多物理耦合机理改变，对传热安全产生极大挑战的问题。
实施例一
请参阅图1，图1是本申请一个实施例提供的超临界水中事故容错燃料的传热研究方法流程示意图，所述方法包括：
S1.得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；
S2.利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；
S3.利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，
量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。
在一个实施例中，如步骤S1所述，所述得到变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，包括：
建立变形ATF燃料表面边界层内超临界水对流换热问题的数学描述，包括：湍流时均质量、动量和能量方程以及边界条件，并利用数量级分析方法将其转化为无量纲表达式；
利用所述无量纲表达式，考虑流体速度、压力、温度等热工参量的不规则脉动、拟临界区较强物性脉动以及结构变形附加湍流交混，确定变形粘滞力、超临界水浮升力的表达式；
利用所述变形粘滞力、超临界水浮升力的表达式，对质量、动量和能量方程进行积分，根据超临界水堆概念设计给定边界条件，推导变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的计算式，得到变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程。
在一个实施例中，如步骤S2所述，所述利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，包括：
利用所述本构方程，通过OpenFOAM开源计算流体力学软件，构建3-D共轭传热的多物理耦合模型；
利用所述本构方程，采用Fortran语言构建2-D共轭传热的多物理耦合模型；
利用所述3-D共轭传热的多物理耦合模型及2-D共轭传热的多物理耦合模型，模拟鼓泡通道内超临界水湍流换热现象，验证所述鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律。
在具体实施时，所述利用所述本构方程，通过OpenFOAM开源计算流体力学软件，构建3-D共轭传热的多物理耦合模型，包括：
利用所述本构方程，进行鼓泡燃料通道内超临界水湍流换热问题的建模，搭架固体区域和流体区域，用interface连接所述固体区域和所述流体区域；
选取不同的网格模型，对所述固体区域和所述流体区域进行网格划分，完成网格敏感性测试；
利用所述网格敏感性测试的结果，进行各参数设置，搭建几何模型、物理模型和物理边界；
利用GIF六棒束超临界湍流换热评估基准题验证湍流模型，通过迭代计算和后处理，获得通道内速度场、温度场和压力场；
需要说明的是，处湍流模型是指采用超临界状态下的k-ε湍流模型；
采用截面平均法，反推流动阻力系数、湍流交混系数和对流传热系数，验证所述鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，得到3-D共轭传热的多物理耦合模型。
进一步地，所述流体区域，还包括：所述流体区域采用多面体网格、棱镜层网格和表面网格方法在燃料棒表面生成具有边界层的多面体单元。
进一步地，所述利用所述本构方程，采用Fortran语言构建2-D共轭传热的多物理耦合模型，包括：
利用所述本构方程，采用有限差分法离散，建立鼓泡ATF燃料导热模型，需要说明的是，本申请实施例中鼓泡ATF燃料导热模型是由FeCrAl制成的燃料，为棒状燃料，模型为以中心线对称的有内热源的圆柱形导热；
利用所述鼓泡ATF燃料导热模型，添加鼓泡定义模块、鼓泡ATF燃料2-D导热模型、湍流阻力系数本构方程、对流换热系数本构方程，并引入隐式残差平均与多阶龙格库塔方法加速收敛方法，得到所述2-D共轭传热的多物理耦合模型。
在具体实施时，利用Fortran语言开发一套高效的2-D共轭传热的多物理耦合模型。采用有限差分法离散，建立鼓泡模块的分析模型，添加鼓泡定义模块、鼓泡ATF燃料2-D导热模型、湍流阻力系数本构方程、对流换热系数本构方程，引入隐式残差平均与多阶龙格库塔方法加速收敛方法，建立超临界水中变形ATF燃料2-D共轭传热的多物理耦合模型。
需要说明的是，建立鼓泡模块的分析模型的思想为燃料元件增加一部分体积，增加的体积不是由于密度变化引起的，也不是有外物附着，而是由于燃料元件温度升高，鼓泡是辐照裂变气体局部聚集，气体压力不断增大导致燃料发生塑性变形，燃料表面出现凸起的现象分析鼓泡对热阻的影响，采用等效热阻的分析方法，综合分析气体与固体在该情况下的导热。另外，需要将气体温度升高的速率比燃料温度升高的快考虑进去，即鼓泡中心气体温度比燃料温度高，会产生温差，就会产生热传递。
在一个实施例中，如步骤S3所述，所述利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果，包括：
利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，模拟单棒热点鼓泡、多棒多点鼓泡两种危险模式，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果；
需要说明是，采用公式推导、量纲分析及数量级分析为支撑将一些不具体，模糊的因素用具体的数据来表示，从而达到分析比较的目的。例如雷诺数的计算以及努塞尔数的推导计算。
在一个实施例中，鼓泡是辐照裂变气体局部聚集，气体压力不断增大导致燃料发生塑性变形，燃料表面出现凸起的现象。其尺寸、形状不尽相同，发生位置不固定燃料鼓泡后，表面凸起使冷却剂流通截面变小，气体聚集使局部芯体向冷却剂传热性能下降。假如鼓泡出现在热点，甚至同时出现在更多通道，局部传热性能急剧恶化，将对包壳安全产生极大挑战。本申请是利用鼓泡ATF燃料与超临界水之间的流固共轭传热问题，并分析对反应堆安全的影响
在一个实施例中，由于超临界水堆的水力特性非常复杂，需要考虑温度、压力、浮升力、鼓泡情况以及邻棒之间的相互影响，在此通过构建的多物理耦合方法，研究不同鼓泡位置、数量、尺寸下超临界水中鼓泡事故容错燃料的流量再分配因子、反应性反馈系数、燃料元件轴向/周向/径向温度梯度的动态变化规律，然后，利用OpenFOAM开源计算流体力学软件，模拟鼓泡通道内超临界水湍流换热现象，验证鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程。
具体的，超临界水中ATF燃料芯块、包壳和冷却剂的温度彼此之间耦合影响，是一个包含核燃料导热改性与强变物性对流换热耦合、中子物理特性与热工水力特性耦合、湍流交混特性与流量分配特性耦合的复杂耦合响应过程；此耦合响应会随着燃料鼓泡的位置、数量、尺寸而改变。因此，湍流换热系数及燃料元件温度分布在不同的鼓泡工况下降呈现出复杂的不同变化特征。我们采用耦合方法，将不同鼓泡位置、数量、尺寸下超临界水中鼓泡事故容错燃料的流量再分配因子、反应性反馈系数、燃料元件轴向/周向/径向温度梯度的动态变化规律考虑进去，用方程、优化离散、网格映射和数据传递方式体现出超临界水中鼓泡事故容错燃料共轭传热的多物理耦合机理，最终得出传热的性能。
具体的，多物理耦合模型的开发依据于边界层理论分析的鼓泡表面超临界水湍流阻力系数、对流换热系数本构方程，搭建基于机械学习神经网络分析方法的鼓泡事故容错燃料导热系数本构方程；基于本构方程及对流换热、导热控制方程组，研发一种基于高精度、高保真多物理耦合分析方法下超临界水中鼓泡事故容错燃料共轭传热的多物理耦合计算模型。在25MPa压力下，堆芯进口温度280℃，堆芯出口温度570℃的情况下，模拟热流密度定函数假设、热流密度界面参数传递两种情况，研究不同的鼓泡形状、尺寸、数量和发生位置时湍流阻力系数、对流换热系数及导热系数的变化规律，获得流场、温度场、压力场和热流密度场等的变化规律，揭示热流密度对超临界水中变形事故容错燃料的共轭传热性能的影响机理；模拟入口流量为定值边界、多棒鼓泡流量再分配两种情况，研究固体域与流体域之间流场、温度场、压力场和热流密度场等多物理量场的耦合特性，揭示流量分配对超临界水中变形事故容错燃料共轭传热的影响机理。
在具体实施时，超临界水堆与运行的水冷堆相比，它具有系统简单、装置尺寸小、热效率高、经济性和安全性更好的特点。气、液两相呈平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气、液两相性质非常接近。超临界流体，又称为稠密气体或高压气体，它不同于一般的气体，也有别于一般液体，兼有液体和气体的双重特性，密度接近于液体，粘度和扩散系数接近于气体，渗透性好，与液体溶剂萃取相比，可以更快地完成传导，达到平衡，促进高效分离过程的实现。这让超临界水堆成为一种比较有前途的先进核能系统。堆芯流体受水的浮升力影响最大，在临界点附近，压力、温度的微小变化会引起流体密度的较为显著的变化。超临界水特殊物性加剧了芯体导热与表面对流换热之间的耦合作用：超临界水密度类液、粘度与扩散类气，流动受到明显的重力和热膨胀加速作用，跨临界区存在“拟相变”，导致燃料表面对流换热性能、芯体导热性能、核物理性能之间的耦合响应更加复杂、紧密。
请参阅图2，图2是本申请另一个实施例提供的超临界水中事故容错燃料的传热研究装置组成示意图，所述装置包括：
获取模块101，用于得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；
构建模块102，用于利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；
分析模块103，用于利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。
请参阅图3，图3是本申请又一个实施例提供的超临界水中事故容错燃料的传热研究设备组成示意图，所述设备包括：
存储器31，其上存储有可执行程序；
处理器32，用于执行所述存储器31中的所述可执行程序，以实现上述中任一项所述方法的步骤。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.超临界水中事故容错燃料的传热研究方法，其特征在于，所述方法包括：
得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；
利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；
利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，包括：
建立变形ATF燃料表面边界层内超临界水对流换热问题的数学描述，包括：湍流时均质量、动量和能量方程以及边界条件，并利用数量级分析方法将其转化为无量纲表达式；
利用所述无量纲表达式，考虑流体速度、压力、温度等热工参量的不规则脉动、拟临界区较强物性脉动以及结构变形附加湍流交混，确定变形粘滞力、超临界水浮升力的表达式；
利用所述变形粘滞力、超临界水浮升力的表达式，对质量、动量和能量方程进行积分，根据超临界水堆概念设计给定边界条件，推导变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的计算式，得到变形燃料表面湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，包括：
利用所述本构方程，通过OpenFOAM开源计算流体力学软件，构建3-D共轭传热的多物理耦合模型；
利用所述本构方程，采用Fortran语言构建2-D共轭传热的多物理耦合模型；
利用所述3-D共轭传热的多物理耦合模型及2-D共轭传热的多物理耦合模型，模拟鼓泡通道内超临界水湍流换热现象，验证所述鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用所述本构方程，通过OpenFOAM开源计算流体力学软件，构建3-D共轭传热的多物理耦合模型，包括：
利用所述本构方程，进行鼓泡燃料通道内超临界水湍流换热问题的建模，搭架固体区域和流体区域，用interface连接所述固体区域和所述流体区域；
选取不同的网格模型，对所述固体区域和所述流体区域进行网格划分，完成网格敏感性测试；
利用所述网格敏感性测试的结果，进行各参数设置，搭建几何模型、物理模型和物理边界；
利用GIF六棒束超临界湍流换热评估基准题验证湍流模型，通过迭代计算和后处理，获得通道内速度场、温度场和压力场；
采用截面平均法，反推流动阻力系数、湍流交混系数和对流传热系数，验证所述鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程，得到3-D共轭传热的多物理耦合模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述流体区域，还包括：所述流体区域采用多面体网格、棱镜层网格和表面网格方法在燃料棒表面生成具有边界层的多面体单元。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述本构方程，采用Fortran语言构建2-D共轭传热的多物理耦合模型，包括：
利用所述本构方程，采用有限差分法离散，建立鼓泡ATF燃料导热模型；
利用所述鼓泡ATF燃料导热模型，添加鼓泡定义模块、鼓泡ATF燃料2-D导热模型、湍流阻力系数本构方程、对流换热系数本构方程，并引入隐式残差平均与多阶龙格库塔方法加速收敛方法，得到所述2-D共轭传热的多物理耦合模型。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果，包括：
利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，模拟单棒热点鼓泡、多棒多点鼓泡两种危险模式，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。
8.超临界水中事故容错燃料的传热研究装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于得到鼓泡燃料表面超临界水湍流阻力系数、湍流传热系数的本构方程；
构建模块，用于利用所述本构方程，建立超临界水中鼓泡ATF燃料共轭传热多物理耦合模型，得到共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律；
分析模块，用于利用所述共轭传热的多物理耦合机理及对传热性能的影响规律，量化分析鼓泡对包壳峰值温度、对流传热系数的影响规律，得到包壳峰值温度限值准则和燃料优化结果。
9.超临界水中事故容错燃料的传热研究设备，其特征在于，所述设备包括：
存储器，其上存储有可执行程序；
处理器，用于执行所述存储器中的所述可执行程序，以实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
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