[發明專利]一種適配堆芯能量分布的冷卻劑分流結構拓撲優化方法

在審

• 申請號: 202210330664.9
• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114676617A
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 李寶童;柴振鴻;陸祺;劉策;鄧堅;洪軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;中國核動力研究設計院
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F30/28;G06F111/04;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種適配堆芯能量分布的冷卻劑分流結構拓撲優化方法，采用等幾何粒子法進行反應堆壓力容器全流域仿真計算及分流結構所在的下腔室流體仿真，采用變密度法SIMP拓撲優化方法進行結構優化，結合拉格朗日觀點思想和非定常流場的流場仿真的結果，實現分流效果目標函數關于設計變量的靈敏度分析，推動目標函數向設定值逼近，繼而使得結構向預定性能逼近，達成在已有約束下的最有材料分布和結構設計；本發明可以根據堆芯的能量分布對冷卻劑分流結構進行拓撲優化設計，顯著縮短結構設計周期，增強冷卻劑的冷卻效果，提升核反應堆的熱利用率。

技術領域

本發明涉及核反應堆堆芯冷卻劑分流結構技術領域，具體涉及一種適配堆芯能量分布的冷卻劑分流結構拓撲優化方法。

背景技術

隨著核能技術的發展和成熟，核反應堆已經成為了重要的能源來源。核反應堆的能量來源于一定間隔排列的燃料棒，燃料棒中的核燃料受到中子轟擊發生鏈式反應，產生大量熱能；由于燃料棒中的材料富集程度不均勻，燃料棒裝載分布形式以及格架和其他支撐結構的存在，核反應堆芯的功率分布并不是均勻的，造成堆芯內部溫度分布不均勻。為了提高的一回路冷卻劑的換熱效率，盡快將堆芯內的高溫區熱量排出，保證核反應堆的運行安全，需要在下腔室中設計分流結構，根據堆芯不同區域的功率調配進入熱交換區域的冷卻劑流量。

冷卻劑分流結構布置于核反應堆壓力容器的下腔室中，其直接影響到堆芯的溫度，繼而影響堆芯內鏈式反應速率、發電效率乃至整個反應堆的安全性，這樣的關鍵結構設計具有很高的挑戰性，也對結構的性能提出了更高的要求。傳統的設計方法嚴重依賴工程人員的實踐經驗，設計者設計出結構后再進行實驗測試，驗證其合格性，并給出改進措施。這樣的設計方法雖然可以較為方便的對設計進行優化，但是無法高效的挖掘出結構設計的潛能，難以發揮材料的最大能力，缺乏科學的設計理論依據的指導。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種適配堆芯能量分布的冷卻劑分流結構拓撲優化方法，可以根據堆芯的能量分布對冷卻劑分流結構進行拓撲優化設計，顯著縮短結構設計周期，增強冷卻劑的冷卻效果，提升核反應堆的熱利用率。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種適配堆芯能量分布的冷卻劑分流結構拓撲優化方法，采用等幾何粒子法進行反應堆壓力容器全流域仿真計算及分流結構所在的下腔室流體仿真，采用變密度法(以下簡稱為“SIMP”)拓撲優化方法進行結構優化，結合拉格朗日觀點思想和非定常流場的流場仿真的結果，實現分流效果目標函數關于設計變量的靈敏度分析，推動目標函數向設定值逼近，繼而使得結構向預定性能逼近，達成在已有約束下的最有材料分布和結構設計。

一種適配堆芯能量分布的冷卻劑分流結構拓撲優化方法，包括以下步驟：

1)下腔室分流結構設計域邊界條件的等效：

通過壓力容器全流域的仿真獲取等效的分流結構設計域的入口邊界條件，使用有限體積法求解壓力容器全流域的流場分布，提取全流域速度分布結果中設計域入口面位置的平均速度作為設計域的入口速度；

2)建立SIMP拓撲優化模型：

2.1)建立設計域SIMP拓撲模型：

根據分流結構設計域的真實CAD模型，建立設計域SIMP拓撲模型；SIMP拓撲優化方法以各向同性的偽密度單元為結構優化的最小單位，設計域被表征為緊密排列的偽密度單元；SIMP以單元的偽密度值γ作為設計變量，其反映了材料密度與材料性質之間對應關系；偽密度值的1和0分別代表了該位置結構的有無，設計變量場γ＝{γ₁,γ₂,...,γ_i,...}^T表征了設計域中的結構分布；

2.2)固液相的統一描述：