一种严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法技术

本发明专利技术涉及一种严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，包括：1、获取热工水力计算初始参数并初始化；2、根据计算时间控制参数判断是否结束计算；3、更新时间步长并求解边界条件；4、计算控制体内部总质量和总能量；5、判断控制体内部流体类型并分工况求解控制体内部状态参数；6、计算不可凝气体的状态参数及气相的平均温度；7、计算饱和水的闪蒸以及过饱和蒸汽的析出；8、计算气液两相与相界面之间的传热传质；9、迭代计算并输出各时刻状态参数，直至计算结束。本发明专利技术能准确模拟计算严重事故下安全壳内控制体在受到扰动后从不平衡状态向平衡状态过渡过程中的瞬态变化规律，如实再现实际相关的物理过程并反映系统的物理现象。

【技术实现步骤摘要】
一种严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法
本专利技术属于核安全分析
，具体涉及一种严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法。
技术介绍
日本福岛核事故引发了社会上对反应堆严重事故的大量关注和研究，业界(包括核安全监管部门)对核电厂事故分析提出了新的要求，迫切需要加强机理模型和先进数值模拟技术的应用。安全壳热工水力响应分析作为核电厂反应堆严重事故进程分析的基础，精确计算其状态变化对于判断整体事故进程具有重要帮助。当前常用的核电厂热工水力分析软件对于状态参数的求解多伴随控制方程的求解过程，同时受限于早期物性数据库的局限，特别是由于物性计算中偏导数计算数据的匮乏，常常采用半隐式的方式求解控制体中的温度、压力等状态参数，此种方式求解结果准确度偏低，且方程迭代过程容易不收敛造成方程求解失败。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的缺陷，综合分析严重事故下安全壳内控制体热力学响应的变化规律，揭示实际相关的物理过程并反映系统的物理现象，提供一种严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，从而有效提高计算结果的准确度，避免因方程发散引起的求解失败问题。为了实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，包括如下步骤：步骤1、获取控制体热工水力计算初始参数以及计算所需的时间控制参数、边界条件参数，完成初始化；步骤2、根据计算时间控制参数判断是否结束计算运行，当不满足结束条件时，进入步骤3继续执行计算，满足结束条件时，输出结果信息并结束计算；步骤3、更新时间步长，根据边界条件参数计算出各时间内边界源项与指定控制体之间进行的能量与质量交换总额；步骤4、根据质量和能量守恒方程，计算控制体内部总质量和总能量；步骤5、判断控制体内部流体类型并分工况求解控制体内部状态参数；步骤6、计算不可凝气体(如氮气、氧气、二氧化碳、氢气、一氧化碳等)状态参数及气相平均物性，相关物性数据可根据公开数据库和常用计算模型计算得到；步骤7、计算饱和水的闪蒸以及过饱和蒸汽的析出；步骤8、计算气液两相与相界面之间的传热传质；步骤9、返回步骤2反复迭代计算。进一步，如上所述的严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，步骤1中所述控制体热工水力的初始参数包括体积、标高、高度、水力直径、压力、气相初始温度、液相初始温度、各气体的体积份额、各组分的质量和气液两相的能量；时间控制参数包括计算起始时间、终止时间、各时间段的最大、最小时间步长等；边界条件参数包括外部源项的开启时间与关闭时间、作用控制体的编号、源项的状态、种类、组分、温度、压力、流量等。进一步，如上所述的严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，步骤4中将微分、集总参数形式的质量守恒方程化为差分形式的方程，考虑质量源项后可得控制体内工质i的差分形式质量守恒方程：式中：--控制体内工质i在新时刻的质量，kg；--控制体内工质i在旧时刻的质量，kg；fj--经流道j流入到控制体的体积流量，m3/s；--流道j上游工质i的密度，kg/m3；d--流道的上游；Δt--时间步长，s；--控制体内工质i非流动质量源项变化率，kg/s；假设控制体内流体为理想流体，能量方程中不再考虑由于粘性作用引起的机械能转换为热能的部分，微分、集总参数形式的能量守恒方程化为差分形式的方程，可得：式中：--控制体内工质i在新时刻的内能，J；--控制体内工质i在旧时刻的内能，J；fj--经流道j流入到控制体的体积流量，m3/s；--流道j上游工质i的密度，kg/m3；--流道j上游控制体内工质i的比焓，J/kg；d--流道的上游；Δt--时间步长，s；--控制体内工质i非流动能量源项变化率，J/s。进一步，如上所述的严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，步骤5求解控制体状态参数时，首先判断控制体内部流体类型，根据不同工况选择选取不同的计算方程：式中：p--控制体压力，kPa；ps--水蒸气分压，kPa；mi--第i种不可凝气体的质量，kg；R--摩尔气体常数，J/mol·K；Tg--气体温度，K；Mi--第i种不可凝气体的摩尔质量，kg/mol；V--控制体体积，m3；mw--控制体内液态水的质量，kg；ρw--水的密度，是压力p和液态水温度Tw的函数，kg/m3；V--控制体体积，m3；mw--控制体内液态水的质量，kg；ρw--水的密度，是控制体压力p和液态水温度Tw的函数，kg/m3；ms--控制体内水蒸气的质量，kg；ρs--水蒸气的密度，是水蒸气分压力ps和气体温度Tg的函数，kg/m3；Ug--控制体内所有气体的总内能，J；ms--水蒸气的质量，kg；us--水蒸气的比内能，是水蒸气分压力ps和气体温度Tg的函数，J/kg；mi--控制体内第i种不可凝气体的质量，kg；ui--第i种不可凝气体的比内能，是气体温度Tg的函数，J/kg；Ul＝mw·uw(p,Tw)(6)Ul--控制体内水的总内能，J；mw--水的质量，kg；uw--水的比内能，是控制体压力p和液态水温度Tw的函数，J/kg；联立上述公式(3)-公式(6)并作转化，记方程为分别对p，ps，Tg，Tw进行偏导数计算，则其导数矩阵表示为：导数矩阵中第1行第1/3/4列元素分别为：利用以上各式，根据牛顿迭代法，可得关于第k步的迭代方程如下：上述方程中，除已知参数控制体总体积以及各工质的质量和气液两相的内能外，其它参数均通过当前状态下控制体内的温度和压力状态参数导出，不依赖于其它状态或外部参数，为全隐式形式的求解方程，通过对上述方程的求解，便可得到该条件下控制体内各相的温度和压力状态参数。进一步，如上所述的严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，步骤7中，表示闪蒸质量时通过系统压力平衡与能量平衡两种方式进行计算，其中压力平衡使用的计算模型表示的闪蒸质量表示为：式中：mfl--闪蒸质量，kg；m2--闪蒸后控制体内部水蒸气的质量，kg；m1--闪蒸前控制体内部水蒸气的质量，kg；Mw--水的摩尔质量，kg/mol；Vg--气相体积，m3；psat--控制体内部饱和蒸汽压，kPa；p--控制体内部压力，kPa；Z--压缩因子；R--摩尔气体常数，J/mol·K；Tg--气体温度，K；采用能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、获取控制体热工水力计算初始参数以及计算所需的时间控制参数、边界条件参数，完成初始化；/n步骤2、根据计算时间控制参数判断是否结束计算运行，当不满足结束条件时，进入步骤3继续执行计算，满足结束条件时，输出结果信息并结束计算；/n步骤3、更新时间步长，根据边界条件参数计算出各时间内边界源项与指定控制体之间进行的能量与质量交换总额；/n步骤4、根据质量和能量守恒方程，计算控制体内部总质量和总能量；/n步骤5、判断控制体内部流体类型并分工况求解控制体内部状态参数；/n步骤6、计算不可凝气体状态参数及气相平均物性；/n步骤7、计算饱和水的闪蒸以及过饱和蒸汽的析出；/n步骤8、计算气液两相与相界面之间的传热传质；/n步骤9、返回步骤2反复迭代计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获取控制体热工水力计算初始参数以及计算所需的时间控制参数、边界条件参数，完成初始化；
步骤2、根据计算时间控制参数判断是否结束计算运行，当不满足结束条件时，进入步骤3继续执行计算，满足结束条件时，输出结果信息并结束计算；
步骤3、更新时间步长，根据边界条件参数计算出各时间内边界源项与指定控制体之间进行的能量与质量交换总额；
步骤4、根据质量和能量守恒方程，计算控制体内部总质量和总能量；
步骤5、判断控制体内部流体类型并分工况求解控制体内部状态参数；
步骤6、计算不可凝气体状态参数及气相平均物性；
步骤7、计算饱和水的闪蒸以及过饱和蒸汽的析出；
步骤8、计算气液两相与相界面之间的传热传质；
步骤9、返回步骤2反复迭代计算。


2.如权利要求1所述的严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，其特征在于，步骤1中所述控制体热工水力的初始参数包括体积、标高、高度、水力直径、压力、气相初始温度、液相初始温度、各气体的体积份额、各组分的质量和气液两相的能量；
时间控制参数包括计算起始时间、终止时间、各时间段的最大、最小时间步长；
边界条件参数包括外部源项的开启时间与关闭时间、作用控制体的编号、源项的状态、种类、组分、温度、压力、流量。


3.如权利要求1所述的严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，其特征在于，步骤4中将微分、集总参数形式的质量守恒方程化为差分形式的方程，考虑质量源项后可得控制体内工质i的差分形式质量守恒方程：



式中：

--控制体内工质i在新时刻的质量；

--控制体内工质i在旧时刻的质量；
fj--经流道j流入到控制体的体积流量；

--流道j上游工质i的密度；
d--流道的上游；
Δt--时间步长；

--控制体内工质i非流动质量源项变化率。
假设控制体内流体为理想流体，能量方程中不再考虑由于粘性作用引起的机械能转换为热能的部分，微分、集总参数形式的能量守恒方程化为差分形式的方程，可得：



式中：

--控制体内工质i在新时刻的内能；

--控制体内工质i在旧时刻的内能；
fj--经流道j流入到控制体的体积流量；

--流道j上游工质i的密度；

--流道j上游控制体内工质i的比焓；
d--流道的上游；
Δt--时间步长；

--控制体内工质i非流动能量源项变化率。


4.如权利要求1所述的严重事故下安全壳内控制体热力学响应综合分析方法，其特征在于，步骤5求解控制体状态参数时，首先判断控制体内部流体类型，根据不同工况选择选取不同的计算方程：



式中：
p--控制体压力；
ps--水蒸气分压；
mi--第i种不可凝气体的质量；
R--摩尔气体常数；
Tg--气体温度；
Mi--第i种不可凝气体的摩尔质量；
V--控制体体积；
mw--控制体内液态水的质量；
ρw--水的密度，是压力p和液态水温度Tw的函数。



V--控制体体积；
mw--控制体内液态水的质量；
ρw--水的密度，是控制体压力p和液态水温度Tw的函数；
ms--控制体内水蒸气的质量；
ρs--水蒸气的密度，是水蒸气分压力ps和气体温度Tg的函数；



Ug--控制体内所有气体的总内能；
ms--水蒸气的质量；
us--水蒸气的比内能，是水蒸气分压力ps和气体温度Tg的函数；
mi--控制体内第i种不可凝气体的质量；
ui--第i种不可凝气体的比内能，是气体温度Tg的函数；
Ul＝mw·uw(p,Tw)(6)
Ul--控制体内水的总内能；
mw--水的质量；
uw--水的比内能，是控制体压力p和液态水温度Tw的函数；
联立上述公式(3)-公式(6)并作转化，记方程为



分别对p，ps，Tg，Tw进行偏导...

【专利技术属性】
技术研发人员：李贺，杨小明，朱一鸣，刘杰斌，盛天佑，王晨，余婧懿，马如冰，元一单，马卫民，
申请(专利权)人：中国核电工程有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11