一种快堆六边形闭式组件盒间流动换热计算方法技术

本发明专利技术公开了一种快堆六边形闭式组件盒间流动换热计算方法，主要包括以下步骤：1、对闭式组件的盒间通道进行分层；2、建立盒间通道内冷却剂流动换热的控制方程；3、采用交错网格进行网格划分；4、采用有限容积积分法对方程进行离散；5、采用SIMPLE算法求解连续方程与动量方程，采用Gear算法求解能量方程；6、对压力和速度的修正值进行亚松弛处理加快迭代收敛。本发明专利技术解决了以往只考虑盒间通道内冷却剂的导热所带来的计算不准确问题，或者是采用三维CFD方法需要大量计算机内存和计算时间的问题。本发明专利技术的计算方法可以与快堆系统分析程序进行耦合求解，更加有效地分析快堆六边形闭式组件盒间的流动换热情况，从而为快堆的设计与安全分析提供依据。

A calculation method of flow and heat transfer between hexagonal closed modules of fast reactor

【技术实现步骤摘要】
一种快堆六边形闭式组件盒间流动换热计算方法
本专利技术涉及快中子反应堆堆芯热工水力设计领域，具体涉及一种快堆六边形闭式组件盒间流动换热计算方法。
技术介绍
快中子反应堆的堆芯由数量众多的六边形闭式组件排布而成，堆芯内的流道数量多、功率分布情况复杂，涉及复杂的流动换热问题。六边形闭式组件内的燃料棒束以正三角形栅格的形式排列，燃料棒束外由六边形闭式组件盒包围，组件与组件之间存在一定的间隙并以蜂窝状排布成堆芯。六边形闭式组件盒间隙的冷却剂会通过热传导与对流换热影响堆芯的径向与轴向的温度分布，从而影响堆芯的热工水力特性。因此准确计算快堆六边形闭式组件盒间隙的流动换热特性对快堆的设计与安全分析具有重要意义。目前国际上针对快堆开展了大量的实验，实验主要关注核反应堆系统的热工水力特性，而对于组件盒间的流动换热的研究较少。针对快堆系统，国际上开发了许多快堆的系统分析程序。这些分析程序可以对快堆的系统进行计算，但是对于组件盒间流动换热对堆芯温度分布的影响都无法很好地模拟。美国阿贡国家实验室开发的快堆系统分析程序SAS4A/SASSYS-1将盒间流动考虑为结构之间的导热，日本原子能机构开发的快堆系统分析程序NETFLOW将盒间的流体考虑为静止并用多层模型计算组件盒间的导热，这两个程序都无法模拟出组件盒间的流动特征。对于组件盒间流动，采用三维CFD程序的精细建模由于组件数量多、盒间尺寸小而存在困难；并且如果对组件盒间流动进行三维模拟，在与一维系统程序耦合计算过程中计算速度会非常慢。因此需要开发一种既可以模拟快堆六边形闭式组件盒间流动换热特性，又不会耗费大量计算时间与计算机内存的计算方法，为准确、有效地进行快堆设计与安全分析提供依据。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种快堆六边形闭式组件盒间流动换热的计算方法，解决了现有计算方法无法模拟出组件盒间流动特征的问题；且该方法在与系统程序耦合进行计算时可以保证程序的计算速度，解决了三维CFD程序与一维系统分析程序耦合计算时耗费大量计算时间与计算机内存的问题。为了实现上述目的，本专利技术具体包括以下步骤：步骤1：根据快堆六边形闭式组件的布置方式将快堆六边形闭式组件的盒间通道进行分层，自内向外相邻两层组件的组件盒外壁面所形成的流动通道为一层；步骤2：为了计算各层之间的流动换热机理，进行如下假设：(1)流体粘性应力引起的耗散远小于燃料组件与盒间流体之间的换热，忽略不计；(2)流体间轴向热传导远小于燃料组件与盒间流体之间的换热，忽略不计；(3)冷却剂是不可压缩流体，冷却剂的密度只与温度有关；(4)忽略组件盒间流动的周向不均匀性，简化为二维模型；基于以上假设，建立组件盒间流动的连续方程、能量方程、轴向动量方程以及横向动量方程：1)连续方程式中：t——时间/s；i——通道i；j——通道j；z——通道i轴向高度/m；r——通道i与j径向距离/m；Ai——通道i流通截面积/m2；ρi——通道i流体密度/kg·m-3；mi——通道i轴向质量流量/kg·s-1；wij——通道i与j间横向质量流量/kg·s-1；2)能量方程式中：h——控制体流体比焓/J·kg-1；m——控制体流体质量/kg；A——控制体与组件盒换热面积/m2；K——组件盒间流体与组件盒对流换热系数/W·m-2·K-1；Tw——组件盒壁温度/K；T——控制体流体温度/K；hi——控制体或相邻控制体流体比焓/J·kg-1；wi——穿过控制体界面的质量流量/kg·s-1；3)轴向动量方程式中：mi——通道i轴向质量流量/kg·s-1；ui——控制体界面的轴向速度/m·s-1；wij——通道i与j间径向质量流量/kg·s-1；vij——通道i与j间径向速度/m·s-1；Pi——通道i的压力/Pa；g——重力加速度/m·s-2；fi——通道i摩擦阻力系数；Di——通道i的轴向等效水力直径/m；Ks——局部阻力系数；Δz——轴向控制体高度/m；4)横向动量方程式中：Aij——横向流通面积；fij——横向流动摩擦阻力系数；Dij——横向流动等效水力直径；KG——通道i与j间横向流动局部阻力系数；Δr——径向控制体长度/m；步骤3：为了避免流场中出现不合理的压力场，同时为了保证计算的准确度，组件盒间流动通道网格划分采用交错网格；此处的交错网格是指把轴向速度u和径向速度v以及压力P分布储存于三套不同的网格上；压力P所在的控制体为主控制体，轴向速度u存在于主控制体的南北界面上，称为轴向动量控制体，径向速度v存在于主控制体的东西界面上，称为径向动量控制体；若主控制体划分为N个区域，则主控制体节点数目为N+2，速度控制体的节点编号从2开始到N+2；步骤4：盒间流的流道结构复杂，不同于简单的规则形状的计算，其径向流通面积、轴向流通面积、主控制体容积以及组件与盒间的换热面积的计算的正确性影响方程的质量守恒计算和能量守恒计算，进而影响矩阵求解的收敛性，因此能够准确的计算几何参数至关重要；组件数目求解：反应堆堆芯组件按照六边形布置，每层组件的组件数目M比内层均多6个：第1层：M＝1第i层：M＝6(i-1)组件盒间的间隙面积Aaxi求解：式中：L——六边形闭式组件盒边长/m；S——组件盒间隙宽度/m；径向流通面积求解：每个盒间间隙的径向流通面积Aradial等于组件盒间隙宽度S乘以控制体轴向长度dcv：Aradial＝S×dcv公式(6)步骤5：由于盒间结构不规则，为保证所得差分方程具有守恒特性，在此选用有限容积积分法，离散格式选用隐式迎风格式，壁面边界节点采用无滑移边界条件，控制方程组中各个方程的离散方程如下：1)连续方程离散：ρj,k-1/2Aj,k-1/2uj,k-ρj,k+1/2Aj,k+1/2uj,k+1+ρj+1/2,kSj+1/2,kvj+1,k-ρj-1/2,kSj-1/2,kvj,k＝0公式(7)式中：ρj,k-1/2——第j通道，第k-1/2个轴向控制体的密度/kg/m3；Aj,k-1/2——第j通道，第k-1/2个轴向控制体的轴向流通面积/m2；Sj+1/2,k——第j+1/2通道，第k个轴向控制体的径向流通面积/m2；uj,k——第j通道，第k个轴向控制体的轴向流速/m/s；vj,k——第j通道，第k个轴向控制体的横向流速/m/s；2)轴向动量方程离散：公式(8)中的系数和轴向动量源项的表达式如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快堆六边形闭式组件盒间流动换热计算方法，其特征在于：步骤如下：/n步骤1：根据快堆六边形闭式组件的布置方式将快堆六边形闭式组件的盒间通道进行分层，自内向外相邻两层组件的组件盒外壁面所形成的流动通道为一层；/n步骤2：为了计算各层之间的流动换热机理，进行如下假设：/n(1)流体粘性应力引起的耗散远小于燃料组件与盒间流体之间的换热，忽略不计；/n(2)流体间轴向热传导远小于燃料组件与盒间流体之间的换热，忽略不计；/n(3)冷却剂是不可压缩流体，冷却剂的密度只与温度有关；/n(4)忽略组件盒间流动的周向不均匀性，简化为二维模型；/n基于以上假设，建立组件盒间流动的连续方程、能量方程、轴向动量方程以及横向动量方程：/n1)连续方程/n

【技术特征摘要】
1.一种快堆六边形闭式组件盒间流动换热计算方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：根据快堆六边形闭式组件的布置方式将快堆六边形闭式组件的盒间通道进行分层，自内向外相邻两层组件的组件盒外壁面所形成的流动通道为一层；
步骤2：为了计算各层之间的流动换热机理，进行如下假设：
(1)流体粘性应力引起的耗散远小于燃料组件与盒间流体之间的换热，忽略不计；
(2)流体间轴向热传导远小于燃料组件与盒间流体之间的换热，忽略不计；
(3)冷却剂是不可压缩流体，冷却剂的密度只与温度有关；
(4)忽略组件盒间流动的周向不均匀性，简化为二维模型；
基于以上假设，建立组件盒间流动的连续方程、能量方程、轴向动量方程以及横向动量方程：
1)连续方程



式中：
t——时间/s；
i——通道i；
j——通道j；
z——通道i轴向高度/m；
r——通道i与j径向距离/m；
Ai——通道i流通截面积/m2；
ρi——通道i流体密度/kg·m-3；
mi——通道i轴向质量流量/kg·s-1；
wij——通道i与j间横向质量流量/kg·s-1；
2)能量方程



式中：
h——控制体流体比焓/J·kg-1；
m——控制体流体质量/kg；
A——控制体与组件盒换热面积/m2；
K——组件盒间流体与组件盒对流换热系数/W·m-2·K-1；
Tw——组件盒壁温度/K；
T——控制体流体温度/K；
hi——控制体或相邻控制体流体比焓/J·kg-1；
wi——穿过控制体界面的质量流量/kg·s-1；
3)轴向动量方程



式中：
mi——通道i轴向质量流量/kg·s-1；
ui——控制体界面的轴向速度/m·s-1；
wij——通道i与j间径向质量流量/kg·s-1；
vij——通道i与j间径向速度/m·s-1；
Pi——通道i的压力/Pa；
g——重力加速度/m·s-2；
fi——通道i摩擦阻力系数；
Di——通道i的轴向等效水力直径/m；
Ks——局部阻力系数；
Δz——轴向控制体高度/m；
4)横向动量方程



式中：
Aij——横向流通面积；
fij——横向流动摩擦阻力系数；
Dij——横向流动等效水力直径；
KG——通道i与j间横向流动局部阻力系数；
Δr——径向控制体长度/m；
步骤3：为了避免流场中出现不合理的压力场，同时为了保证计算的准确度，组件盒间流动通道网格划分采用交错网格；此处的交错网格是指把轴向速度u和径向速度v以及压力P分布储存于三套不同的网格上；压力P所在的控制体为主控制体，轴向速度u存在于主控制体的南北界面上，称为轴向动量控制体，径向速度v存在于主控制体的东西界面上，称为径向动量控制体；若主控制体划分为N个区域，则主控制体节点数目为N+2，速度控制体的节点编号从2开始到N+2；
步骤4：盒间流的流道结构复杂，不同于简单的规则形状的计算，其径向流通面积、轴向流通面积、主控制体容积以及组件与盒间的换热面积的计算的正确性影响方程的质量守恒计算和能量守恒计算，进而影响矩阵求解的收敛性，因此能够准确的计算几何参数至关重要；
组件数目求解：
反应堆堆芯组件按照六边形布置，每层组件的组件数目M比内层均多6个：
第1层：M＝1
第i层：M＝6(i-1)
组件盒间的间隙面积Aaxi求解：



式中：
L——六边形闭式组件盒边长/m；
S——组件盒间隙宽度/m；
径向流通面积求解：
每个盒间间隙的径向流通面积Aradial等于组件盒间隙宽度S乘以控制体轴向长度dcv：
Aradial＝S×dcv公式(6)
步骤5：由于盒间结构不规则，为保证所得差分方程具有守恒特性，在此选用有限容积积分法，离散格式选用隐式迎风格式，壁面边界节点采用无滑移边界条件，控制方程组中各个方程的离散方程如下：
1)连续方程离散：
ρj,k-1/2Aj,k-1/2uj,k-ρj,k+1/2Aj,k+1/2uj,k+1+ρj+1/2,kSj+1/2,kvj+1,k-ρj-1/2,kSj-1/2,kvj,k＝0公式(7)
式中：
ρj,k-1/2——第j通道，第k-1/2个轴向控制体的密度/kg/m3；
Aj,k-1/2——第j通道，第k-1/2个轴向控制体的轴向流通面积/m2；
Sj+1/2,k——第j+1/2通道，第k个轴向控制体的径向流通面积/m2；
uj,k——第j通道，第k个轴向控制体的轴向流速/m/s；
vj,k——第j通道，第k个轴向控制体的横向流速/m/s；
2)轴向动量方程离散：



公式(8)中的系数和轴向动量源项的表达式如下：






公式(8)中和分别表示一个轴向动量控制体的上、下、外和内界面位置的质量流量，其表达式为：












式中：
ΔV——轴向动量控制体体积/m3；
Δt——时间步长/s；
Pj,k——第j通道、第k轴向控制体的压力/Pa；
fj,k——第j通道、第k轴向控制体的摩擦阻力系数；
Δz——轴向动量控制体长度/m；

——轴向动量控制体的等效水力直径/m；
kj,k——第j通道、第k轴向控制体的局部阻力系数；

——第j通道、第k轴向控制体的轴向初始速度/m/s；
uj,k——第j通道、第k轴向控制体的轴向速度/m/s；
vj+1,k——第j+1通道、第k轴向控制体的径向速度/m/s；
Aj,k——第j通道、第k轴向控制体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大林，王式保，刘雅鹏，秋穗正，田文喜，苏光辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61