[發明專利]基于計算流體力學的反應堆堆芯熱工水力特性分析方法

有效

• 申請號: 202110026314.9
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112699620B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 王明軍;劉凱;余浩;田文喜;秋穗正;蘇光輝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/10;G06F17/11;G06F119/08;G06F119/14;G06F113/08
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了一種基于計算流體力學的反應堆堆芯熱工水力特性分析方法，該方法主要內容如下：1、建立冷卻劑流動換熱特性分析模型；2、建立燃料棒熱工特性分析模型；3、建立流固耦合換熱模型；4、建立流固耦合求解方法。本方法通過對反應堆堆芯內復雜棒束結構實施簡化處理，可以精確計算反應堆堆芯燃料棒溫度分布和冷卻劑流場和溫度場，同時顯著降低計算資源消耗，具有建模簡單、計算速度快的特點，為在工程實際中運用計算流體力學數值模擬方法對反應堆全堆芯進行熱工水力特性分析提供了一種新的計算方法。

技術領域

本發明屬于反應堆安全分析技術領域，具體涉及到正常運行及事故工況的反應堆功率變化條件下，反應堆堆芯熱工水力特性分析方法。

背景技術

反應堆堆芯是核電廠一回路系統的核心部件，而堆芯燃料包殼是防止反應堆內的放射性物質向外泄露的第一道屏障，因此反應堆堆芯結構的完整性——尤其是燃料包殼的完整性對反應堆安全來說至關重要，在反應堆堆芯熱工水力分析研究中，堆芯燃料棒及冷卻劑溫度分布一直是研究的重點。而在堆芯中核燃料及控制裝置以棒束結構分布，造成堆芯內流動及傳熱特性的復雜化，對堆芯建模及熱工水力數值模擬分析造成了較大的困難。

目前應用于反應堆熱工水力分析程序中，對燃料棒溫度分布計算的方法一般有三種：1.一維系統程序——如RELAP5程序、TRACE程序通過簡單的熱構件計算反應堆燃料的平均溫度分布；2.子通道分析程序——如COBRA程序對燃料棒逐個建模，并通過數值求解得到燃料棒溫度分布；3.計算流體動力學(CFD)模擬——如ANSYS FLUENT軟件一般采用對燃料棒進行建模和網格劃分，再逐個燃料棒求解溫度分布。其中，一維系統分析程序無法獲得堆芯燃料棒準確的溫度分布，因此對功率分布不均勻的瞬態計算過程模擬效果很差；子通道程序建模復雜，而且在全堆模擬中，邊界條件需要人為指定，對反應堆堆芯入口不規律瞬變過程模擬能力不足；CFD軟件對燃料棒精確建模工作量大，網格量大，導致計算速度慢。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，提供一種低計算資源消耗、高計算精度的反應堆堆芯熱工水力特性分析方法。

本發明解決該技術問題所采用技術方案為：提出一種基于計算流體力學的反應堆堆芯熱工水力特性分析方法。針對反應堆堆芯內燃料組件復雜的棒束結構造成堆芯內部流動及傳熱特性復雜化的問題，本發明基于計算流體力學，建立冷卻劑流動換熱特性分析模型、燃料棒熱工特性分析模型，建立流固耦合換熱模型，通過流固耦合求解方法計算獲得堆芯燃料棒溫度分布和冷卻劑流場和溫度場，實現反應堆堆芯熱工水力特性分析。

一種基于計算流體力學的反應堆堆芯熱工水力特性分析方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

步驟1：建立冷卻劑流動換熱特性分析模型

(1)建立反應堆堆芯的計算模型

建立反應堆堆芯的幾何模型，將反應堆堆芯的幾何模型導入網格生成軟件中劃分控制體，形成反應堆堆芯的網格模型，將反應堆堆芯的網格模型導入計算流體力學軟件中，形成反應堆堆芯的計算模型；

(2)建立冷卻劑流動換熱特性分析模型

為了將反應堆堆芯內復雜棒束結構的影響簡化為對冷卻劑的流動阻力，提出如下假設：①堆芯的流動阻力使用包含粘性損失、慣性損失的壓降描述：