[發明專利]一種得到板狀壓水堆冷卻劑溫度與燃料有效溫度的方法

有效

• 申請號: 201911028469.5
• 申請日: 2019-10-28
• 公開（公告）號: CN110781594B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發明（設計）人: 李云召;楊杰偉;吳宏春;萬承輝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種得到板狀壓水堆冷卻劑溫度與燃料有效溫度的方法，其特征在于：該方法包括了冷卻劑溫度獲取、冷卻劑與包殼換熱系數獲取、包殼外表面溫度獲取和燃料芯塊溫度獲取；具體步驟如下：

步驟1：冷卻劑溫度獲取：

已知堆芯內各個節塊的絕對功率，其中節塊的橫截面即堆芯內的燃料組件的橫截面，節塊的高度為小于等于堆芯活性區高度的任意高度；已知堆芯的入口溫度，以及各個節塊內冷卻劑的質量流量，從堆芯底部往上依次獲取各個節塊的冷卻劑溫度；

首先計算堆芯活性區底部的節塊上表面的焓值，此時堆芯活性區底部的節塊下表面溫度即為堆芯冷卻劑的入口溫度，堆芯冷卻劑入口溫度是堆芯的設計值，是已知的：

其中，h_b,上表面表示堆芯活性區最底部的節塊b上表面的焓值，單位是J/Kg；h_tin表示冷卻劑入口溫度對應的焓值，這一數值通過壓力溫度查水與水蒸氣物性參數表得到；P_b表示堆芯活性區最底部的節塊b的絕對功率，單位W；M_b表示堆芯活性區最底部的節塊b內的冷卻劑質量流量，單位是Kg/s；

在獲取堆芯活性區最底部的節塊b上下表面的焓值之后通過平均上下表面焓值獲取節塊平均焓值，再通過壓力焓值查水與水蒸氣物性參數表獲得堆芯活性區最底部的節塊b內冷卻劑溫度；

在已知堆芯活性區最底部節塊的上下表面焓值后，從下往上依次獲取堆芯內所有節塊的上下表面焓值；

公式(2)中，h_k,上表面表示堆芯中除底部節塊以外的任意節塊k的上表面的焓值，單位是J/Kg；h_{k-1,上表面}表示堆芯中除底部節塊以外的任意節塊k正下方相鄰的節塊上表面焓值，P_k表示堆芯中除底部節塊以外的任意節塊k的絕對功率，單位W，M_k表示堆芯中除底部節塊以外的任意節塊k內的冷卻劑質量流量，單位是Kg/s，因為此時節塊k正下方相鄰的節塊上表面與節塊k下表面重合，焓值也相等；

此時，堆芯內除底部的所有的節塊均按照公式(2)求得上下表面的焓值，節塊內的平均焓值取上下表面焓值的平均值獲取，再通過壓力焓值查水與水蒸氣物性參數表獲取除活性區最底層的其它所有節塊內冷卻劑溫度；

步驟2：獲取冷卻劑與包殼間換熱系數及節塊內的包殼外表面溫度：

首先求得節塊的當量直徑：

其中，表示Dh_i表示節塊i的當量直徑，單位為m；S_i表示節塊i總的冷卻劑流通面積，單位是m²；C_i表示節塊i內總的換熱周長，單位為m，對于換熱周長，若一個組件內含有n塊燃料板，燃料板的周長是c，則該組件的總換熱周長為nc；

然后獲取節塊內冷卻劑的流速，有：

v_i＝M_i/ρ_i 公式(4)

其中v_i表示節塊i的冷卻劑流速，單位是m/s；M_i表示節塊i內的質量流量，單位是Kg/s；ρ_i表示節塊內冷卻劑密度，通過壓力溫度查水與水蒸氣物性參數表得到；

隨后獲取節塊i的雷諾數、普朗克數、摩擦系數以及努賽爾數和換熱系數：

其中Re_i是節塊的雷諾數，是一個無量綱數；μ_i是節塊i內的運動粘性系數，單位是m²/s；Dh_i是節塊i內的當量直徑，單位是m；Pr_i是節塊i內的普朗特數，也是一個無量綱數；ρ_i是節塊i內的冷卻劑密度，單位是Kg/m³；Cp_i是節塊i內的定壓比熱容，單位是J/(Kg·K)；Cd_i是節塊i內冷卻劑的熱導率，單位是W/(m·K)；f_i是節塊i內的摩擦系數，是個無量綱量；Nu_i是節塊i內的努賽爾數，是個無量綱數；e_i是節塊i內冷卻劑與包殼的換熱系數，單位是W/(m²·K)；公式(5)按照順序給出了計算節塊i內冷卻劑與包殼的換熱系數e_i的公式，在得到了換熱系數之后通過下式求得節塊i內包殼溫度：

其中，t_i,clad表示節塊i內的包殼外表面溫度，溫度為K；t_i,coolant表示節塊i內的冷卻劑溫度，在步驟1中獲取，單位是K；P_i表示節塊內的總功率，單位是W；H_i表示節塊i軸向高度，單位是m；C_i表示節塊i內的總的換熱周長，單位是m；e_i則是上一階段算出的節塊i內冷卻劑與包殼的換熱系數，單位是W/(m²·K)；

步驟3：獲取燃料板的溫度分布：

按照傅里葉導熱公式，一維燃料板帶均勻內熱源的穩態導熱方程為：

其中，k(t)表示在溫度為t下的燃料板的熱導率，單位是W/(m·K)，這一數值由燃料的物性查表獲取；t表示燃料溫度，單位是K；x表示沿板厚度方向的距離，單位是m；q_v是單位體積內熱源，單位是W/m³；

在獲取燃料板溫度過程中，需要假設燃料板內的內熱源是均勻分布的；

由于k(t)表示在溫度為t下的燃料板的熱導率，可知隨溫度變化燃料板的熱導率是變化的；在堆芯換熱中認為燃料板的導熱不沿y方向而只沿著x方向，先對燃料板在x方向進行空間離散即劃分若干空間網格；認為燃料板在上述空間網格中熱導率是一個定值常數不隨空間位置發生變化；

對于每一個空間網格都能夠求解公式(7)，采用微商代替微分的技術，得到關于燃料板空間網格位置和空間網格溫度以及空間網格中內熱源的方程，將上述所有的空間網格的方程寫成矩陣的形式則構造三對角矩陣如下：

其中，a_i,b_i和c_i表示與空間網格i的位置與物性相關的表達式,a₁到a_n的表達形式相同，只是表達形式中具體變量的數值不同，同理還有b₁到b_n以及c₁到c_n，單位是W/(m³·K)；T_i表示空間網格i位置處的溫度，單位是K；q_i表示空間網格i的內熱源，單位是W/m³；

再采用高斯消去法求解公式(8)，獲取燃料板各個位置的溫度T_i；

最后采用體積權重的方法獲取燃料板的燃料有效溫度，結合步驟1得到的節塊內冷卻劑溫度，就得到了板狀壓水堆冷卻劑溫度和燃料有效溫度。