[發明專利]一種用于核電廠瞬態安全分析的兩相流全隱數值方法

在審

• 申請號: 202111501842.1
• 申請日: 2021-12-09
• 公開（公告）號: CN114169203A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 茍軍利;樊杰;單建強
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/12;G06F17/16;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明公開了一種用于核電廠瞬態安全分析的兩相流全隱數值方法，該方法首先將兩流體的兩相流模型進行全隱式離散形成方程組，然后基于半隱離散的雅克比矩陣構造預處理矩陣，使用JFNK方法迭代求解全隱式離散的線性方程組直至收斂，輸出用于核電廠瞬態安全分析的參數。與現有技術相比，本發明方法使用基于JFNK的全隱式數值算法求解兩流體模型，降低了傳統的兩流體模型全隱式數值求解的難度，提高了數值算法的穩定性和計算效率，并使用了基于半隱式差分的雅克比矩陣的預處理技術，提高了計算效率，能夠更加精確且高效地模擬和分析核反應堆正常運行和事故瞬變現象。

技術領域

本發明屬于核電廠瞬態安全分析技術領域，具體涉及一種用于核電廠瞬態安全分析的兩相流全隱數值方法。

背景技術

核反應堆瞬態安全分析程序作為認識和研究核反應堆正常運行和事故瞬變現象、系統設計驗證的主要手段和工具，其重要性不言而喻。從上世紀60年代直到現在，有許多著名的反應堆瞬態安全分析程序被開發，如：RELAP5、TRAC、ATHLET、CATHARE等，已被廣泛應用于各種核電廠或者核反應堆的系統設計和事故安全分析中。但是依舊存在一些問題亟待解決和優化。

目前廣泛采用的反應堆瞬態安全分析程序，如：RELAP5或者TRACE程序，其使用兩流體模型模擬兩相流動，數值解法采用半隱式解法，精度相對較低，且數值穩定性受到材料聲速庫倫特限值的影響，因此時間步長不能取很大，當程序模擬一些長瞬態的問題時效率較低；

對于一些先進的采用全隱數值算法的程序，如：CARHARE2程序，其數值解法采用牛頓法，由于兩流體模型中包含了大量的本構模型，因此在構建全隱式離散方程的雅克比矩陣時難度很大；

為了解決半隱式數值效率低和傳統全隱式解法雅克比矩陣構造難的問題，近年來研究者提出了一種無雅克比矩陣的牛頓-Krylov子空間迭代法(JFNK方法)。目前在核反應堆瞬態安全分析程序領域，JFNK算法大都被應用于漂移流模型的求解，當JFNK算法被應用于兩流體模型求解時，預處理技術采用一些純數學預處理技術，且仍然需要形成雅克比矩陣，構建雅克比矩陣的難度依然存在。

綜上所述，目前常用的核反應堆瞬態安全分析程序中采用的半隱式解法存在一定的缺點，傳統的全隱算法存在一定的困難，雖然有一些研究將JFNK算法應用于漂移流模型和兩流體模型的求解中，但是預處理技術還不夠簡練，因此需要針對模型和算法進行改進使得核反應堆瞬態安全分析程序更加精確和高效。

發明內容

本發明提供了一種用于核電廠瞬態安全分析的兩相流全隱數值方法，改善現有核反應堆瞬態安全分析程序數值算法的不穩定性。首先實現了基于JFNK算法的兩流體模型的全隱式解法，使得數值算法不受材料聲速庫倫特值的限制；其次建立了基于半隱差分的雅克比矩陣的預處理技術，提高了計算的效率；最后，得到了一種用于核電廠瞬態安全分析的兩相流全隱數值方法。

本發明采用如下技術方案來實現的：

一種用于核電廠瞬態安全分析的兩相流全隱數值方法，包括：

第一步：根據核電廠系統的運行參數和管道結構參數劃分控制體，建立所有控制體兩流體兩相流模型的非線性方程組：

其中，為控制體i的進口邊界i-1/2處的汽相動量方程的殘差形式；為控制體i的進口邊界i-1/2處的液相動量方程的殘差形式；為控制體i的汽相能量方程的殘差形式；控制體i的液相能量方程的殘差形式；控制體i的汽相質量守恒方程的殘差形式；F_P,i控制體i的混合相質量守恒方程的殘差形式；為控制體i的出口邊界i+1/2處的汽相動量方程的殘差形式；為控制體i的出口邊界i+1/2處的液相動量方程的殘差形式；