运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法技术方案

运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，该方法适用于核动力系统的大型换热设备在受到一定外力而产生不同形式的运动工况下的三维数值计算模型的建立；该三维数值计算模型主要是在静止运行下管壳式换热器三维热工水力数值计算模型基础上，根据不同运动条件下的运动形式及受力特点，分别通过对处于复合运动条件下的管壳式换热器进行运动分解、单一运动的受力分析及分解、单一运动下作用于动量方程的附加力源项的建立、复合运动附加力源项合成过程，最终建立一套能够准确描述复合运动条件下核动力系统管壳式换热器热工水力特性的数值计算模型。

Numerical modeling method for shell and tube heat exchanger of nuclear power system under moving condition

【技术实现步骤摘要】
运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法
本专利技术涉及到一种描述不同运动条件下核动力系统管壳式换热器的数值计算模型
，具体涉及一种能够对在三维六自由度下运动条件运行的核动力系统管壳式换热器的热工水力运行特性进行计算的数值模型建立方法。
技术介绍
核动力系统尤其是小型核动力系统由于其体积小、能量密度高、稳定性及可靠性高等特点越来越多地被应用到各种工况下。典型的海上浮动核动力系统站以及小型化移动核动力系统设备在其设计过程中应该充分考虑海上风浪以及运载形式对其内部核动力系统的影响，其次由于自然灾害地震、海啸或人为外力撞击条件均可能对传统核动力系统的正常运行产生不可逆的后果。为了充分保证核动力系统在特定运行工况下的安全特性，对其进行受力条件下的三维数值计算模拟十分必要。管壳式换热器一般作为核动力系统一回路与二回路的传热边界，同时也是一回路压力边界，其运行状态关乎反应堆能量能否顺利导出，是核动力系统中最为关键的安全性设备之一。据调研，管壳式换热器在不同运动条件下所表现出的两侧压降特性及流动换热特性均会受到运动条件的影响。由于管壳式换热器一般为管束型换热设备，因此其二次侧流动换热系数必然受到运动状态如倾角、转速、加速度的影响。在对管壳式换热器设计阶段，需要考虑到极端运动条件下其运行状态，并对其及反应堆系统安全性进行评估。因此对管壳式换热器开展不同运动条件下的数值计算模型建立对核动力系统的可靠性及安全性均具有重要意义。其次，由于近年来计算流体动力学方法在计算维度、计算精度、可视化、操作简便性等特点在核动力系统数值计算中被广泛应用，相比一维计算，能够给出运动条件下管壳式换热器内部不同位置的目前国内外有众多学者对运动条件的模型进行了一定程度的研究，一般对运动进行简化的方法主要有附加力添加及坐标系旋转方法。国内外研究近年来，随着我国海洋强国以及海上丝绸之路政策的推进，对海上资源的开发已经成为我国最重要的发展战略之一。核能作为清洁、高效、能量密度高的能源之一，能够充分保证海上工业平台的能源需求，是我国解决海洋能源供应问题的最佳途径。基于这种高需求，近年来小型化反应堆系统被广泛研究，其中应用于海洋平台的反应堆系统在设计初期不得不考虑复杂海洋条件对反应堆系统产生的影响。海洋中的海浪会导致反应堆系统产生一系列自由运动，严重影响反应堆系统热工参数状态。在任何一个没有外力约束物体的条件下，该物体在空间内均具有6个方向的自由度，这6个自由度分别是绕三个坐标轴开展平移以及旋转运动，如图给出了典型6自由度运动示意图。核动力系统由于自身或承载其基座受到一定外力而产生运动，一般情况下该运动均为多种单一运动的叠加结果。一般海洋条件下的单一运动类型分别包括绕定轴以一定周期摇摆、沿某方向倾斜任一角度、沿任意直线进行加速或平移运动。实际海洋运动条件下物体所产生的运动均可看作以上三种运动以一定组合进行叠加作用的结果。近年来，国内外学者对一定运动条件下对反应堆各关键设备运行参数的影响进行了大量研究。哈尔滨工程大学在海洋运动条件数值计算研究方面具有较深的基础。王冰基于RELAP5系统程序采用海洋条件下附加力模型开发了非惯性系下的适用于海洋条件下的核反应堆热工水力计算程序，并采用该程序对一体化反应堆IP200的自然循环特性进行了影响。研究结果表明倾斜运动会导致反应堆环路流量减小、流量分配发生偏移，摇摆周期、摇摆幅度均能够改变驱动压头或附加力压降进而影响自然循环的流量波动，在较大起伏幅度下，堆芯自然循环的稳定性会受到破坏。中国核动力研究设计院的王江文等人对海洋条件下的窄矩形通道内自然循环流动阻力特性进行了相关实验研究。实验结果表明，相较于对层流阻力系数的影响，对摇摆条件对湍流摩擦阻力系数影响较大。基于实验数据拟合出了对应通道内的阻力计算公式，计算公式中考虑到了摇摆振幅、频率、加热功率水平对层流向湍流转捩点的综合判断方法。何川基于惯性坐标系与非惯性坐标系并采用，给出海洋条件下计算模型建立的旋转坐标矩阵，确定了非惯性系中的动量守恒方程。实验与RELAP5理论结合方法分析了海洋运动条件下多自然循环回路的耦合瞬态响应特性。文静基于MATLAB平台，开发了适用于海洋条件下的非能动余热排出系统热工水里分析程序，结果表明摇摆会引起回路冷热管的高度差，引入附加惯性力，导致回路流量计水温的周期性波动。非能动余热排出系统的性能受摇摆周期、频率、幅值等运动参数的影响。SipengWang等人采用附加力源项方法对海洋条件工况下的自然循环密度波不稳定性进行了相关研究，获得了摇摆以及起伏条件下自然循环参数并于正常工况结果进行了对比。结果显示最大摇摆角度、摇摆周期、摇摆轴位置、最大角速度、起伏周期等参数均对自然循环不稳定性有较大影响。LieWei等人基于RELAP5以及FLUENT商用程序对海洋条件下的自然循环单向流动进行研究。计算过程中将RELAP5与FLUENT程序耦合，并分别修正两个程序中的动量方程使之适用于海洋条件工况的计算。倾斜工况计算结果显示对称相反方向的倾斜对水平管道流量影响不同。B.H.Yan2016年对海洋条件对反应堆系统热工水利影响方面的相关研究进行总结，充分阐述了不同海洋条件对不同形状流道内的单向流、两相流的流动换热特性、两相气泡动力学、流动不稳定性等方面的影响。PanWu等人开发了适用于海洋条件工况计算的子通道计算程序。基于原有的子通道程序ATHAS，考虑起伏及摇摆海洋条件对动量方程的影响开发改进版子通道程序ATHAS/OE。并通过现有程序COBRA-IV之间的计算对比验证了程序的适用性，计算结果表明海洋条件对堆芯热工水里特性有显著影响。RenLi等人在RELAP5程序基础上对考虑倾斜对动量方程的影响对一定倾斜角度条件对自然循环特性影响进行了相关研究，研究结果表明一定小角度倾斜并不会对反应堆安全造成影响。ByoungJaeKim等人针对运动条件下的两相流动现象开发了二维两流体方程，并对模型结果进行验证，模型考虑了质量力、内能的变化，但流体焓值保持静止状态下的参数。Hee-KwanBeom等人也采用了附加加速度以及附加力来mooning海洋动力条件对反应堆热工水利参数的影响。成功在MARS程序基础上添加了海洋条件计算模块。综上所述，国内外学者在关于海洋条件对反应堆系统运行特性、安全特性方面均做了较为深入的研究，大部分学者采用的为在惯性系中添加附加力体现其非惯性系下运动特性。但大部分均只考虑海洋条件对流动动量方程的影响，在对流及传热耦合计算方面还需要更进一步研究，其次，针对海洋条件下的管壳式换热器性能研究较少。本专利技术基于运动分解、阻力分解、阻力合成、换热系数因子引入等方面给出了一种能够全面考虑海洋运动条件对反应堆管壳式换热器流动及对流换热特性影响的数值模型建立方法。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提出一种运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，本专利技术采用运动分解方法对实际运行条件的复合运动过程进行分解，主要将其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，其特征在于：包括静止条件下的管壳式换热器数值计算模型建立、复合运动的分解、单一运动受力分解及附加力源项的建立、复合运动下附加力源项的合成、不同运动形式下的换热系数影响因子确定、模型计算节点数量确定；/n具体步骤如下：/n步骤1：根据核动力系统管壳式换热器几何结构特点，对其进行适用于计算流体动力学程序使用的管壳式换热器三维几何模型建立，要求三维几何模型分别包括管壳式换热器两侧冷却剂流域；为了在提高模拟结果精度的同时尽量减小建模过程的工作量，该步骤根据对核动力系统管壳式换热器的传热管的具体数量以及传热管结构的复杂性判断是否采用多孔介质方法对传热管束进行几何简化；/n步骤2：对建好的管壳式换热器三维几何模型，根据结构特点对其进行数值计算节点划分，保证数值求解结果精确、耗散低、收敛性高；/n在划分过程中需注意若管壳式换热器三维几何模型未采用多孔介质方法对几何进行简化，则需考虑壁面函数对距壁面第一层节点高度的要求，严格控制节点划分数目及质量，若采用多孔介质方法对管束几何进行了简化，则需要根据多孔介质模型的特点对该简化部分进行计算节点划分，计算节点尺寸大小需要满足多孔介质方法假设限制；最终经过初始条件以及边界条件的设置，即获得适用于静止条件下管壳式换热器的三维热工水力数值计算模型；/n步骤3：根据实际管壳式换热器的运动工况，将复杂复合运动逐一分解为几种典型单一运动，典型的单一运动包括水平或垂直加速运动、绕定轴倾斜运动、绕定轴摇摆运动三种，运动分解结果将为这三种单一运动的任意组合；/n步骤4：分析各单一运动条件下管壳式换热器的受力特点，对所受惯性力、科氏力、重力、离心力在笛卡尔坐标系下分别开展受力分解；在受力分析结果的基础上，对各单一运动分别建立不同坐标方向上的附加力源项计算模型；/n步骤5：基于运动条件下管束内以及管束外单相流及两相流的流动换热模型，确立各单一运动对管壳式换热器两侧流动换热系数的影响因子，结合管壳式换热器运动分解结果确定复合运动条件下管壳式换热器两侧的总换热系数，该换热系数为不同单一运动下换热系数加权平均，该步骤能够充分考虑不同运动条件对换热系数的影响；/n步骤6：分别将步骤4获得的各单一运动下的附加力源项添加至管壳式换热器一次侧及二次侧每个计算节点的动量离散方程中，以此体现运动附加力对管壳式换热器管内及管外流动阻力的影响。将步骤5获得的复合运动条件下的换热系数引入静止条件下管壳式换热器的三维热工水力数值计算模型，修正其一、二次侧流动换热系数计算模型；/n通过以上步骤即获得适用于复合运动条件下的管壳式换热器三维热工水力数值计算模型，最后将通过计算节点对计算结果的影响来最终确定既不会影响计算精度又能够尽可能提高计算效率的最佳计算节点数量。/n...

【技术特征摘要】
1.运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，其特征在于：包括静止条件下的管壳式换热器数值计算模型建立、复合运动的分解、单一运动受力分解及附加力源项的建立、复合运动下附加力源项的合成、不同运动形式下的换热系数影响因子确定、模型计算节点数量确定；
具体步骤如下：
步骤1：根据核动力系统管壳式换热器几何结构特点，对其进行适用于计算流体动力学程序使用的管壳式换热器三维几何模型建立，要求三维几何模型分别包括管壳式换热器两侧冷却剂流域；为了在提高模拟结果精度的同时尽量减小建模过程的工作量，该步骤根据对核动力系统管壳式换热器的传热管的具体数量以及传热管结构的复杂性判断是否采用多孔介质方法对传热管束进行几何简化；
步骤2：对建好的管壳式换热器三维几何模型，根据结构特点对其进行数值计算节点划分，保证数值求解结果精确、耗散低、收敛性高；
在划分过程中需注意若管壳式换热器三维几何模型未采用多孔介质方法对几何进行简化，则需考虑壁面函数对距壁面第一层节点高度的要求，严格控制节点划分数目及质量，若采用多孔介质方法对管束几何进行了简化，则需要根据多孔介质模型的特点对该简化部分进行计算节点划分，计算节点尺寸大小需要满足多孔介质方法假设限制；最终经过初始条件以及边界条件的设置，即获得适用于静止条件下管壳式换热器的三维热工水力数值计算模型；
步骤3：根据实际管壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏光辉，赵晓晗，王明军，章静，田文喜，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