基于粒子法的熔融物与混凝土相互作用分析方法技术

一种基于粒子法的熔融物与混凝土相互作用分析方法，主要步骤如下：1、粒子建模，设定粒子初始布置和参数；2、建立背景网格并按节点划分，检索邻居粒子；3、计算粒子焓值、温度和相态；4、计算共晶和化学反应，更新粒子物质组分和物性参数，同时计算化学热，更新粒子焓值、温度和相态；6、计算气体运动，更新粒子类型、速度和位置；7、显示计算动量方程中的粘性项、表面张力项和重力项，估算粒子速度和位置；8、使用估算的粒子位置显示计算动量方程中的压力项并修正粒子速度和位置；9、输出计算结果。本方法考虑熔融物与混凝土相互作用的所有现象；基于粒子法，能够精确捕捉自由液面、方便建模及精确处理相变；采用显示压力模型有利于进行大规模计算。

Particle-based Interaction Analysis of Melt and Concrete

【技术实现步骤摘要】
基于粒子法的熔融物与混凝土相互作用分析方法
本专利技术涉及核电厂严重事故堆芯熔融物与混凝土相互作用研究
，具体涉及一种基于粒子法的熔融物与混凝土相互作用分析方法。
技术介绍
当核电厂压水堆发生严重事故时，堆芯如果得不到充分的冷却可能发生熔化并向下迁移，落入压力容器下封头的堆芯熔融可能会将下封头熔穿，随后，堆芯熔融物会进入安全壳并与安全壳内的混凝土发生长期的相互作用，这个过程涉及众多的化学和物理变化。高温的熔融物会不断加热混凝土，使其温度不断升高并发生熔化和化学分解。混凝土分解会产生水蒸气和其他不可凝气体，这些气体会影响熔池的流动换热行为并可能导致安全壳的超压失效。混凝土分解还会在混凝土表面形成熔渣层，影响其与堆芯熔融物的换热过程。与此同时，堆芯熔融物的温度会不断降低，并在混凝土-熔融物界面首先形成壳层，阻碍熔融物和混凝土进一步的相互作用。此外，熔融物和混凝土的相互作用还受到熔融物的初始温度、质量和成分、熔融物下落速率、注水的时间、混凝土的组成成分等因素影响。因此，熔融物与混凝土相互作用过程存在大量的不确定性，是核反应堆严重事故研究领域的热点和难点问题，至今其机理仍未被完全研究透彻，对其的研究有助于严重事故源项及安全壳完整性的分析，对于核电厂严重事故安全分析具有重大意义。关于熔融物与混凝土相互作用的研究，国内外已经展开了一些研究，包括实验研究和数值模拟研究。对于实验研究，由于不同的研究侧重点和实验条件的限制，各实验采用不同比例的实验装置、不同的熔融物模拟物、不同的混凝土、不同的注入方式以及不同的加热方式，并且有的实验还考虑了熔融物衰变热、水的注入等的影响，主要探究了熔融物对混凝土的烧蚀过程、不可凝气体的产生。由实验研究可知，熔融物和混凝土的种类会很大程度影响熔融物对混凝土的烧蚀过程，不同的熔融物和混凝土会引起不同的烧蚀模式，如硅酸混凝土呈现烧蚀的各向异性，而石灰石混凝土呈现烧蚀的各向同性，再如金属熔融物和氧化物熔融物会出现明显的分层现象，形成多层熔池的结构特征。对于数值模拟研究，国内外基本都以集总参数法进行自编程分析，很少使用基于网格法的CFD软件对具体的相互作用过程进行分析，这是因为熔融物与混凝土相互作用过程过于复杂，气泡产生、熔融物流动行为、混凝土烧蚀界面、物质相变过程、熔池相界面等均难使用基于欧拉方法的网格法进行模拟。而对于基于拉格朗日方法的粒子法，在处理自由表面、物质流动、物质相变、气泡行为上有着独特的优势，能够很好的重现熔融物流动、熔融物和混凝土相变、熔融物-混凝土界面变化的过程。目前，有少数学者采用移动粒子法对熔融物和混凝土相互作用过程展开了模拟，但并未全面考虑熔融物和混凝土相互作用过程中的全部机理性现象，并且模拟过程中作了大量假设，特别是忽略了熔融物和混凝土相互作用过程中的化学分解、不可凝气体的产生。因此，本研究综合粒子法及熔融物与混凝土相互作用过程的机理性分析提出一种熔融物与混凝土相互作用分析方法。
技术实现思路
为了全面研究熔融物与混凝土相互作用过程，揭示作用过程中可能存在的一些机理现象，本专利技术在对熔融物与混凝土相互作用的机理性分析的基础上结合粒子法、基础控制方程及相关的机理性化学物理模型，提出一种研究熔融物与混凝土相互作用分析方法，该方法能够对熔融物与混凝土相互作用过程中存在的多种物质流动、传热、传质、相变、化学反应、气体运动进行研究，获得熔融物与混凝土相互作用过程中熔池组成及形态的变化、混凝土-熔融物界面的变化、不可凝气体的运动、化学反应程度，为核电厂反应堆严重事故安全特性研究提供重要依据。为了实现上述目标，本专利技术采取了以下的技术方案予以实施：一种基于粒子法的熔融物与混凝土相互作用分析方法，步骤如下：步骤1：对熔融池与混凝土的初始状态进行粒子建模，用不同种类的粒子代表不同的物质，采用1、2、3号粒子模拟熔融物粒子的液相、固液混合相、固相，采用4、5、6号粒子模拟混凝土的液相、固液混合相、固相，每种粒子根据所表示的物质具有对应的质量、密度、比热、熔沸点、温度、焓信息；由于熔融池与混凝土相互作用过程中物质组成复杂，存在众多互可溶或互不可溶的物质组成，对于互相可溶的物质，对于粒子i添加物质x物质摩尔份额属性fi,x，以判别单个粒子的物质组成成分，而对于互不可溶的物质，两两组分不会存在于同一个粒子中；定义某个粒子i的相关参数为Parameteri，Parameter为参数量，则粒子i的质量、密度、比热、熔点即固相线温度和液相线温度、沸点、温度、焓、压力、速度矢量、位置矢量分别为mi、ρi、Cpi、Tsi即Ts0i和Ts1i、Tbi、Ti、hi、Pi、粒子直径定义为l0；由此得到熔融物和混凝土的初始位置分布和相关参数；步骤2：在建立的粒子模型区域内建立背景网格，背景网格均匀布置，网格为正方形，边长为最大的粒子作用距离re,max；每个粒子均存在于一个网格上或网格面组成的正方体内；对于每一个粒子i，其坐标位置为(xi，yi，zi)，其只能与包括它所处的网格体在内的27个网格体内的粒子发生作用；针对每个粒子i，检索其周围27个网格体内的所有粒子，当粒子i与粒子j的距离lij小于最大的粒子作用距离re,max，将粒子j列为粒子i的邻居粒子组，邻居粒子组内的粒子数设为邻居粒子数nnei，即该检索过程会得到每个粒子的邻居粒子组粒子i与粒子j的距离lij由公式(1)计算：步骤3：对步骤2建立的背景网格按节点数进行划分，保证每个节点计算域内的粒子数基本相同；划分得到每个节点计算域内所占网格体的上下限(Xup，Yup，Zup)、(Xdown，Ydown，Zdown)；定义处于边界处的网格体为边界网格体，边界网格体向相邻节点计算域传递粒子信息，实现进程间的并行计算；步骤4：定义一个加权函数来衡量粒子受附近粒子的作用程度，采用指数多项式型核函数，如公式(2)所示，式中re为粒子作用范围，r为粒子间距，w为核函数；进一步定义粒子数密度，如公式(3)，用以衡量粒子疏密程度，ni＝∑j1iw(r)公式(3)式中：ni为i粒子的粒子数密度，j为i粒子周围邻居粒子符号，i为i粒子符号；步骤5：能量守恒方程如公式(4)所示，式中h——粒子焓值J/kg；t——时间s；ρ——粒子密度kg/m3；k——粒子热导率W/(m·K)；T——粒子温度K；Qradiation——辐射热源W/m3；Qout——外热源W/m3；Qchem——化学热W/m3；对于辐射换热，首先检索表面粒子，令粒子数密度小于0.97倍的n0为表面粒子，其中n0为初始的粒子数密度；只对表面粒子进行辐射换热计算，采用斯忒藩-玻尔兹曼定律，如公式(5)所示，式中Qradiation——辐射热源W/m3；ε——发射率；σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数；T——粒子温度K；Tenv——环境温度K；l0——粒子直径m；对于传热过程，采用导热微分方程的离散格式，如公式(6)所示，式中——下一个时刻的粒子i的焓值J/kg；——当前时刻的粒子i的焓值J/kg；d——维度；n0——初始的粒子数密度；ρi——i粒子密度kg/m3；——当前时刻的粒子j温度K；Tik——当前时刻的粒子i温度K；Δt——时间步长s；——j粒子对i粒子的核函数值，表达形式如公式(2)；——j粒子位置矢量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于粒子法的熔融物与混凝土相互作用分析方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：对熔融池与混凝土的初始状态进行粒子建模，用不同种类的粒子代表不同的物质，采用1、2、3号粒子模拟熔融物粒子的液相、固液混合相、固相，采用4、5、6号粒子模拟混凝土的液相、固液混合相、固相，每种粒子根据所表示的物质具有对应的质量、密度、比热、熔沸点、温度、焓信息；由于熔融池与混凝土相互作用过程中物质组成复杂，存在众多互可溶或互不可溶的物质组成，对于互相可溶的物质，对于粒子i添加物质x物质摩尔份额属性fi,x，以判别单个粒子的物质组成成分，而对于互不可溶的物质，两两组分不会存在于同一个粒子中；定义某个粒子i的相关参数为Parameteri，Parameter为参数量，则粒子i的质量、密度、比热、熔点即固相线温度和液相线温度、沸点、温度、焓、压力、速度矢量、位置矢量分别为mi、ρi、Cpi、Tsi即Ts0i和Ts1i、Tbi、Ti、hi、Pi、

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子法的熔融物与混凝土相互作用分析方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：对熔融池与混凝土的初始状态进行粒子建模，用不同种类的粒子代表不同的物质，采用1、2、3号粒子模拟熔融物粒子的液相、固液混合相、固相，采用4、5、6号粒子模拟混凝土的液相、固液混合相、固相，每种粒子根据所表示的物质具有对应的质量、密度、比热、熔沸点、温度、焓信息；由于熔融池与混凝土相互作用过程中物质组成复杂，存在众多互可溶或互不可溶的物质组成，对于互相可溶的物质，对于粒子i添加物质x物质摩尔份额属性fi,x，以判别单个粒子的物质组成成分，而对于互不可溶的物质，两两组分不会存在于同一个粒子中；定义某个粒子i的相关参数为Parameteri，Parameter为参数量，则粒子i的质量、密度、比热、熔点即固相线温度和液相线温度、沸点、温度、焓、压力、速度矢量、位置矢量分别为mi、ρi、Cpi、Tsi即Ts0i和Ts1i、Tbi、Ti、hi、Pi、粒子直径定义为l0；由此得到熔融物和混凝土的初始位置分布和相关参数；步骤2：在建立的粒子模型区域内建立背景网格，背景网格均匀布置，网格为正方形，边长为最大的粒子作用距离re,max；每个粒子均存在于一个网格上或网格面组成的正方体内；对于每一个粒子i，其坐标位置为(xi，yi，zi)，其只能与包括它所处的网格体在内的27个网格体内的粒子发生作用；针对每个粒子i，检索其周围27个网格体内的所有粒子，当粒子i与粒子j的距离lij小于最大的粒子作用距离re,max，将粒子j列为粒子i的邻居粒子组，邻居粒子组内的粒子数设为邻居粒子数nnei，即该检索过程会得到每个粒子的邻居粒子组粒子i与粒子j的距离lij由公式(1)计算：步骤3：对步骤2建立的背景网格按节点数进行划分，保证每个节点计算域内的粒子数基本相同；划分得到每个节点计算域内所占网格体的上下限(Xup，Yup，Zup)、(Xdown，Ydown，Zdown)；定义处于边界处的网格体为边界网格体，边界网格体向相邻节点计算域传递粒子信息，实现进程间的并行计算；步骤4：定义一个加权函数来衡量粒子受附近粒子的作用程度，采用指数多项式型核函数，如公式(2)所示，式中re为粒子作用范围，r为粒子间距，w为核函数；进一步定义粒子数密度，如公式(3)，用以衡量粒子疏密程度，ni＝∑j≠iw(r)公式(3)式中：ni为i粒子的粒子数密度，j为i粒子周围邻居粒子符号，i为i粒子符号；步骤5：能量守恒方程如公式(4)所示，式中h——粒子焓值J/kg；t——时间s；ρ——粒子密度kg/m3；k——粒子热导率W/(m·K)；T——粒子温度K；Qradiation——辐射热源W/m3；Qout——外热源W/m3；Qchem——化学热W/m3；对于辐射换热，首先检索表面粒子，令粒子数密度小于0.97倍的n0为表面粒子，其中n0为初始的粒子数密度；只对表面粒子进行辐射换热计算，采用斯忒藩-玻尔兹曼定律，如公式(5)所示，式中Qradiation——辐射热源W/m3；ε——发射率；σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数；T——粒子温度K；Tenv——环境温度K；l0——粒子直径m；对于传热过程，采用导热微分方程的离散格式，如公式(6)所示，式中——下一个时刻的粒子i的焓值J/kg；——当前时刻的粒子i的焓值J/kg；d——维度；n0——初始的粒子数密度；ρi——i粒子密度kg/m3；——当前时刻的粒子j温度K；Tik——当前时刻的粒子i温度K；Δt——时间步长s；——j粒子对i粒子的核函数值，表达形式如公式(2)；——j粒子位置矢量；——i粒子位置矢量；——粒子i和粒子j热导率的调和平均值W/(m·K)；ki——粒子i热导率W/(m·K)；kj——粒子j热导率W/(m·K)；Q＝Qout+Qchem——热量源项W/m3；Qout——外热源W/m3；Qchem——化学热W/m3；通过焓值确定粒子的温度，对于单质如公式(7)所示，对于混合物如公式(8)所示式中T——粒子温度K；Ts——粒子熔点K；h——粒子焓值J/kg；hs0——粒子开始熔化的焓值J/kg；hs1——粒子结束熔化的焓值J/kg；cp——粒子比热容J/(kg·K)；式中T——粒子温度K；Ts——粒子固相线温度K；Tl——粒子液相线温度K；h——粒子焓值J/kg；hs——粒子固相线温度对应焓值J/kg；hl——粒子液相线温度对应焓值J/kg；cp——粒子比热容J/(kg·K)；由焓值定义固相率来表示物质所处的相态，如公式(9)所示，γ——粒子固相率；h——粒子焓值J/kg；hs——粒子固相线温度对应焓值J/kg；hl——粒子液相线温度对应焓值J/kg；对于单质的固相率计算，只要将hs和hl分别用hs0和hs1替代；当γ＝0时，粒子为液态；当γ＝1时，粒子为固态；当0<γ<1时，粒子为固液混合态；通过步骤5的计算，模拟熔融物和混凝土相互作用过程中熔融池内的液相粒子的传热、熔融池与固体混凝土的接触界面的传热、熔融物和混凝土的相变过程；计算得到每个粒子在不同时刻下的种类、焓值和温度，即得到熔融物和混凝土的相态、焓值和温度随时间的变化过程；步骤6：共晶反应计算，反应堆堆芯材料中存在的UO2、锆合金、不锈钢两两之间可能发生共晶反应，因此定义堆芯熔融物组分包含UO2、Zr、不锈钢份额，这些物质之间存在物质传递，传质过程满足菲克第二定律，如公式(10)所示，式中——下一时刻的粒子i中物质x的质量kg；——当前时刻的粒子i中物质x的质量kg；D——扩散系数m2/s；Δt——时间步长s；d——维度；n0——初始的粒子数密度；——当前时刻的粒子j中物质x的质量kg；——j粒子对i粒子的核函数值，表达形式如公式(2)；——j粒子位置矢量；——i粒子位置矢量；由此获得每个粒子中物质x的物质摩尔份额fx＝mx/Mx/ntotal，其中mx为粒子中物质x的质量，Mx为物质x的摩尔质量，ntotal为粒子中总的物质的量；通过伪二元共晶相图或三元相图即能够判定粒子的物性参数变化；通过步骤6的计算，得到熔融物粒子中UO2、Zr、不锈钢物质摩尔份额的变化，即熔融物的物质分布情况；并通过物质分布，得到熔融物的物性参数变化；步骤7：化学反应计算，在熔融物和混凝土相互作用过程中会存在大量的化学方应，主要包括混凝土的分解反应和熔融物的氧化反应；混凝土的分解反应主要有：400℃下氢氧化钙脱水：Ca(OH)2+1340kJ/kg→CaO+H2O(g)600℃下碳酸钙分解：CaCO3+1637kJ/kg→CaO+CO2(g)1462℃下Fe2O3转变：6Fe2O3+480kJ/kg→4Fe3O4+O2(g)熔融物的氧化反应主要有：Zr+2H2O→ZrO2+2H2+6.3MJ/kgZr+2CO2→ZrO2+2CO+5.7MJ/kgFe+H2O+3.0kJ/kg→FeO+H2Fe+CO2+480kJ/kg→FeO+COZr+SiO2→ZrO2+Si+1.6MJ/kg温度<1870℃Zr+2SiO2+4.7MJ/kg→ZrO2+2SiO(g)温度>1870℃Si+2H2O→SiO2+2H2+15MJ/kgSi+2CO2→SiO2+2CO+14MJ/kg基于如上化学方程式，当两个粒子间相互接触，且温度达到反应温度或具有足够的内热源进行化学方应，则两个粒子进行物质转换生成新的粒子物质原子份额，期间通过控制粒子焓值的形式保证前后物质的能量守恒；在1870℃以下，对于Zr和SiO2，当两个粒子中含有Zr和SiO2，粒子相接触后发生反应，两种粒子中Zr和SiO2的物质份额会转化为ZrO2和Si物质份额，并以内热源的形式释放1.6MJ/kg的热量，此处需引入一个假设的释热速率，设为Δt时间完成全部化学热的释放；转变后的粒子根据温度更新对应粒子的物性，按初始粒子的温度比例计算转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈荣华，蔡庆航，田文喜，苏光辉，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61