核电厂破口失水事故水力载荷分析方法技术

一种核电厂破口失水事故水力载荷分析方法，包括：考虑了控制体面积变化随时间变化的两流体水力学模型；基于半隐差分的数值解法；基于逐步分段解析法的结构动力学分析方法；实现了水力学与力学之间的流固耦合计算。与现有技术相比，本发明专利技术方法考虑了控制体面积随时间的变化，实现了水力学与力学的耦合计算，能够更加精确地进行核电厂失水事故下结构受力分析，为反应堆的设计提供标准。

Analysis method of hydraulic load in break loss of water accident of nuclear power plant

【技术实现步骤摘要】
核电厂破口失水事故水力载荷分析方法
本专利技术属于核电厂安全分析
，具体涉及一种核电厂失水事故水力载荷分析方法。
技术介绍
作为压水堆核电厂设计基准事故之一，冷却剂丧失事故一直是国内外核反应堆设计时关注的重点。破口失水事故发生时，瞬间产生的卸压载荷会引起反应堆堆内结构的振动，威胁反应堆压力容器的安全性和完整性，所以反应堆的破口失水事故动力分析一直受到核电发达国家的高度重视，开发了一系列的分析方法进行数值模拟。但水力载荷分析方法在我国依旧处于发展阶段，设计先进的破口失水事故水力载荷分析方法对于我国的核电自主化具有重要意义。目前国际主流的核反应堆水力载荷分析方法已经得到了广泛的应用和验证，其发展已相对成熟。但是依旧存在一些问题亟待解决和优化。对于常见的水力载荷专用分析程序，如：MULTIFLUX或者ATHIS程序，其使用均相流模型模拟两相流动，而均相流模型将两相流体均匀处理，没有考虑相间的相互作用，模拟两相流动存在一定的误差；当使用反应堆事故分析程序分析水力载荷时，由于程序全都认为管道时刚性的，流体流动面积不会随时间变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核电厂破口失水事故水力载荷分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n第一步：根据核电厂一回路的运行参数和管道结构参数建立数学模型；/n第二步：确定反应堆吊篮的节点划分与周围管道的对应关系，并对吊篮结构进行模态振型分析，得到吊篮结构的固有振动频率和模态振型向量参数；/n由于吊篮结构复杂，因此将圆筒状的模型当作板状进行简化处理，并划分成若干个小的振荡单元，而每个小的振荡单元均存在结构动力学方程：/n

【技术特征摘要】
1.一种核电厂破口失水事故水力载荷分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：根据核电厂一回路的运行参数和管道结构参数建立数学模型；
第二步：确定反应堆吊篮的节点划分与周围管道的对应关系，并对吊篮结构进行模态振型分析，得到吊篮结构的固有振动频率和模态振型向量参数；
由于吊篮结构复杂，因此将圆筒状的模型当作板状进行简化处理，并划分成若干个小的振荡单元，而每个小的振荡单元均存在结构动力学方程：



式中：m—吊篮结构的质量；c—吊篮结构的阻尼系数；k—吊篮结构的刚度系数；v(t)—吊篮结构的位移；f(t)—吊篮结构随时间的受到的载荷；——吊篮结构的速度；——吊篮结构的加速度；
由于各个吊篮结构振荡单元之间存在相互影响，所以m、k、c都不是对角矩阵，为了消除这种相互影响，简化计算，引入模态振型分析；首先，通过坐标变换，将物理坐标转化为模态坐标：
v(t)＝φnyn(t)(2)
式中：φn—吊篮结构的模态矩阵，每一列各代表一种模态的振型；yn(t)—第n种模态的模态位移；
对于吊篮结构无阻尼自由振动方程组—式(3)，存在振荡单元振动的位移解析解—式(4),其中w—吊篮的固有振动频率，φ—吊篮的振幅,即模态振型矩阵，α—吊篮的振动初始角频率；



v(t)＝φsin(w·t+α)(4)
将式(4)代入式(3)中，得：
M-1Kφ＝w2φ(5)
式中：M-1—吊篮质量矩阵的逆矩阵，是n×n阶矩阵，K—吊篮模态刚度矩阵，是n×n阶矩阵，φ—吊篮的模态振型矩阵，是n×h阶矩阵，其中第l行第j列的元素表示第l个振荡单元第j种模态下的振幅，h为预设的模态数，n为振荡单元的个数；
式(5)是一个特征值问题，能够求解得出每一阶模态对应的特征值和特征向量，特征值是吊篮结构的固有振动频率w2，特征向量是该频率下的模态振型向量φi，其中φi是第i个振动频率对应的模态向量，是n×1阶矩阵；
每个小的振荡单元的结构动力学方程—式(1)组成的方程组转变为一组独立的、以模态坐标和模态参数描述的方程—式(6)，从而实现方程组的独立解耦；



式中：M—吊篮模态质量矩阵，—吊篮第n种模态的模态加速度，C—吊篮模态阻尼矩阵，—吊篮第n种模态的模态速度，K—吊篮模态刚度矩阵，F(t)—吊篮模态受力矩阵；
第三步：选用Henry-Fauske模型计算破口处的临界流量，根据流体流动状态判断流型，选用相应流型对应的换热关系式，并计算流体受到的摩擦力；
第四步：使用半隐差分算法求解水力学守恒方程；水力学模型是两流体模型，在水力学守恒方程中考虑了管道的面积变化随时间的变化,如式(7)的汽相质量守恒方程；



式中：A—控制体截面积，αg—控制体中流体的汽相空泡份额，ρg—流体的汽相密度；Vg—流体的汽相速度；Γg—控制体中产生的汽相的质量；
水力学模块采用交错网格，在网格中心采用标量网格，网格边界采用矢量网格；对于水力学守恒方程的求解，首先求解两相的动量守恒方程，得到新时刻控制体速度和压力的关系式—式(8)；



式中：—接管j处i相新时刻的速度，—接管j处i相旧时刻的速度，—接管j上游的控制体k的压力，Pln+1—接管j下游的控制体k的压力，Ai—动量方程中接管j处i相旧时刻速度的系数，Bi—动量方程中接管j上游的控制体k压力的系数，Ci—接管j下游的控制体k压力的系数，Di—i相动量方程中除旧时刻速度项和上下游压力项外的其他项；其中i相为汽相或液相；
其次求解质量和能量守恒方程，将汽相内能、液相内能、汽相空泡份额和压力四个变量作为求解变量，将汽相质量守恒方程、液相质量守恒方程、汽相能量守恒方程、液相能量守恒方程四个守恒方程的方程组，利用高斯消去法求解方程组，先得到控制体压力和速度的关系式—式(9)；



式中：Pin+1—控制体i新时刻的压力，Pin—控制体i旧时刻的压力，—控制体i进口的汽相新时刻的速度，—控制体i出口的汽相新时刻的速度，—控制体i进口的液相新时刻的速度，—控制体i出口的液相新时刻的速度，a、b、c、d分别表示方程组中控制体i液相出、进口速度的系数和方程组中控制体i汽相出、进口速度的系数，e—方程组中除控制体i气液相进出口速度以外的其他项；
然后联立压力和速度的关系式(8)和式(9)，求解得到新时刻的压力和速度；最后通过质量和能量守恒...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊杰，苟军利，党高健，丁书华，单建强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61