一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法技术

一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法，具体步骤如下：1、在笛卡尔坐标系下对板状核燃料进行初始建模；2，采用链表法对邻居粒子进行检索，将邻居粒子信息保存在数组内；3，显式计算动量守恒方程中的重力项、粘性项和表面张力项，得到粒子的估算速度和位置；4，计算粒子间传热，使用焓值相变模型判断粒子的相态；5，检索是否存在固体粒子之间的碰撞，使用DEM模型进行计算；6，隐式计算压力梯度项，修正粒子的速度和位置；7，输出需要的结果，推进时间步长直到模拟结束。本方法考虑了核反应堆板状燃料熔化流固耦合的所有现象，粒子法能够对熔融物自由液面进行精确捕捉，固液耦合模型能够分析熔融物和燃料微粒之间的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法
本专利技术涉及核电厂严重事故板状核燃料发生熔化时熔融物的迁徙行为的研究
，具体涉及一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法。
技术介绍
相较于一般核电站使用的棒状燃料元件，使用弥散颗粒压制的板状核燃料构成的核组件具有更加紧凑的结构，燃料芯体有更大的换热面积所以温度低，较高的换热效率和较深的燃耗等特点，因此被广泛的应用在一体化的反应堆、核动力反应堆和实验用研究堆中。在事故工况下，反应堆中出现如燃料元件在燃耗过深时发生辐照肿胀导致冷却剂流道变窄，而此时堆内材料碎片或异物随冷却剂的循环流入到堆芯内，就可能会引发冷却剂流道堵塞事故，造成堆芯燃料板无法被充分冷却，热量不能及时通过冷却剂带走，燃料板温度升高，进一步会导致局部冷却剂蒸干，完全裸露后的板燃料温度会急剧上升，极大的威胁了燃料包壳的完整性，甚至可能造成反射性外泄，引发严重的核事故后果。历史上，在1965年美国橡树岭研究堆发生过一起因橡胶垫片随冷却剂流入堆芯而引起的堵流事故，并最终造成一个板状燃料组件中的三块燃料板发生局部熔化。此外，由于目本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法，其特征在于：步骤如下：/n步骤1：对核反应堆板状燃料熔化流固耦合问题进行粒子建模；用不同类型的粒子代表核反应堆板状燃料的各个组成部分，0号粒子代表锆合金材质的燃料包壳和燃料基体，1号粒子代表弥散在燃料基体中的二氧化铀燃料微粒；对每一个粒子进行编号，所有的粒子均具有对应的物性参数，物性参数包括质量、密度、比热、熔沸点、温度、焓和初速度；粒子在笛卡尔坐标系内，依据核反应堆板状燃料的具体参数均匀布置，能够模拟核反应堆板状燃料的初始状态；/n步骤2：使用链表法检索邻居粒子，具体方法是：将整个计算域均匀划分成正方形表格，正方形表格的边长与粒子最大作用半...

【技术特征摘要】
1.一种核反应堆板状燃料熔化流固耦合无网格分析方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：对核反应堆板状燃料熔化流固耦合问题进行粒子建模；用不同类型的粒子代表核反应堆板状燃料的各个组成部分，0号粒子代表锆合金材质的燃料包壳和燃料基体，1号粒子代表弥散在燃料基体中的二氧化铀燃料微粒；对每一个粒子进行编号，所有的粒子均具有对应的物性参数，物性参数包括质量、密度、比热、熔沸点、温度、焓和初速度；粒子在笛卡尔坐标系内，依据核反应堆板状燃料的具体参数均匀布置，能够模拟核反应堆板状燃料的初始状态；
步骤2：使用链表法检索邻居粒子，具体方法是：将整个计算域均匀划分成正方形表格，正方形表格的边长与粒子最大作用半径相等；对于任意一个粒子而言，检索邻居粒子时只需检索包含粒子在内的表格以及包围此表格的共计9个表格，三维计算时，需要检索的就是由正方形表格围成的正方体，需要检索27个三维正方体；
步骤3：对时间步长进行稳定性分析，采用Courant-Friedrichs-Lewy条件简称CFL条件判断；CFL条件判断是差分方法保持计算稳定的必要条件，对于粒子法也适用，在移动粒子半隐式方法中采用下式进行判断



式中：
Δt——能够保持计算稳定的最小时间步长；
C——库朗常数；
l0——粒子初始布置时相邻两粒子间的距离；
umax——各时间步长中粒子速度最大值；
计算输入的初始条件中包含预设的时间步长大小，将输入的时间步长和使用CFL条件计算得到的能够保持计算稳定的最小时间步长进行比较，使用较大的时间步长作为当前时间步长；
步骤4：使用核函数表征粒子之间的相互作用程度，具体为在对动量守恒方程中的各项进行显式计算时，先使用核函数进行离散然后积分得到动量守恒方程中各项的具体值，使用的核函数如下所示：



式中
w(rij)——核函数值；
rij——粒子i与粒子j之间的距离；
re——粒子作用域半径；
步骤5：对核反应堆板状燃料熔化后的熔融物研究对象采用如下控制方程：






式中
ρ——粒子对应物质的密度kg/m3；
t——时间s；
P——压力Pa；
μ——动力粘度系数N·s/m2；

——速度矢量m/s；

——表面张力矢量N/kg；

——重力加速度m/s2；
公式(3)为连续性方程，针对的对象为不可压缩流体，公式(4)为动量守恒方程，从中看出分析对象只受到重力这一外力作用，对于任意一个粒子，通过核函数先将动量守恒方程即公式(4)中的重力项、粘性项和表面张力项离散，然后对计算域内全部粒子进行积分，显式得到粒子的估算速度和位置，其中粘性项需要使用采用如下多相粘度模型：



式中
μ——运动粘度系数m2/s
μij——粒子间动力粘度系数m2/s；

——速度m/s；
d——直径m；
re——粒子作用半径m；
nG——使用高斯核函数计算得到的粒子数密度；

——粒子j速度m/s；

——粒子i速度m/s；
G——高斯核函数；
rj——粒子j的位置矢量；
ri——粒子i的位置矢量；
步骤6：使用如下的焓值相变模型计算粒子的相态：



式中
T——需要计算的粒子温度K；
Ts——需要计算的粒子对应的熔点K；
h——当前粒子的焓值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——粒子等压比热容J/(kg·K)；
通过步骤6的计算，能够模拟核反应堆板状燃料在最高温度超过燃料基体锆合金的熔点时的相变过程；计算得到每个粒子在不同时刻下的种类、焓值和温度，即得到锆合金基体和铀燃料微粒的相态、焓值和温度随时间的变化过程；
步骤7：得到粒子的相态后，通过非连续介质模型的分析方法离散单元法DEM对固体之间的碰撞作用进行如下的计算：
非连续介质模型的分析方法离散单元法DEM的计算对象为刚性固体，当计算对象中存在大固体时，需要先解决将离散颗粒聚集成刚性物体统一运动的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈荣华，肖鑫坤，蔡庆航，张鹏辉，郭凯伦，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