安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法，步骤如下：1、对安全壳及非能动安全壳空气冷却系统进行初始化；2、利用多节点安全壳程序计算事故过程中隔间与相邻安全壳壁面的换热以及隔间内热工水力状态；3、判断是否计算到最后的隔间，若是，到步骤5，否则到步骤4；4、计算安全壳壁面冷凝水传递过程，对下一个隔间进行步骤2计算；5、利用三维计算流体力学软件计算非能动安全壳空气冷却系统流动换热；6、计算安全壳壁面温度；7、重复步骤1至6，直到达到指定计算时间。本方法可以快速准确地计算非能动安全壳空气冷却系统的流动换热及其对安全壳热工水力状态的影响，对压水堆安全壳完整性分析具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法
本专利技术属于核反应堆安全壳事故现象计算领域，具体涉及一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法。
技术介绍
AP1000等第三代核电站的内部安全壳采用不锈钢材料，某些学者提出了在不锈钢安全壳外部设置了非能动安全壳空气冷却系统以在事故中冷却不锈钢安全壳，保持安全壳的完整性。多节点安全壳程序已经广泛应用于事故中安全壳内隔间的热工水力计算，但无法计算不锈钢安全壳外部的非能动安全壳空气冷却系统。同时，非能动安全壳空气冷却系统的几何结构复杂，并且需要考虑金属壁面的辐射换热，利用多节点安全壳程序无法较好地模拟。因此，目前还没有较好的方法能够对非能动安全壳空气冷却系统的热工水力行为以及非能动安全壳空气冷却系统下安全壳的热工水力行为进行综合计算。
技术实现思路
为填补上述现有技术的研究空白，本专利技术提供了一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法，可以快速准确地计算核电厂事故中非能动安全壳空气冷却系统的流动换热及其对事故过程中安全壳内热工水力状态的影响，对核反应堆安全壳事故现象计算具有重要意义。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法，包括如下步骤：步骤1：设定计算时间步长为Δτ，对安全壳内气体温度、气体压力、气体成分、安全壳壁面液膜厚度和安全壳壁面温度设置初始值；步骤2：利用多节点安全壳程序计算事故过程中某隔间与相邻安全壳壁面的换热以及某隔间内热工水力状态，具体包括如下内容：1)隔间与安全壳壁面之间为冷凝换热过程，基于隔间的气体温度和壁面温度计算得到时间步长结束时壁面吸收的热量和冷凝水量；i.冷凝水量MCD——冷凝水量；A——壁面面积；HCD——冷凝传热系数；TSG——隔间气体温度；TSW——壁面温度；Δτ——时间步长；ΔH——汽化潜热；冷凝传热系数HCD采用Uchida关系式进行计算：ρvs——蒸汽密度；ρvg——不凝气体密度；ii.壁面吸收的热量QCD＝MCDΔHQCD——壁面吸收的热量；2)更新tn+1时刻隔间内的蒸汽质量、混合气体温度、气体压力、液体质量和液体温度；i.更新tn+1时刻隔间内蒸汽质量MST＝MST0-MCD式中：MST——tn+1时刻蒸汽质量；MST0——tn时刻蒸汽质量；ii.更新tn+1时刻隔间内混合气体温度式中：TG——tn+1时刻混合气体温度；TG0——tn时刻混合气体温度；CV——混合气体热容；iii.更新tn+1时刻隔间内气体压力P——tn+1时刻气体压力；PST——tn+1时刻蒸汽分压，由蒸汽质量、气相体积和气体温度计算得到；NMN——tn+1时刻不凝气体摩尔数；RG——气体常数；VG——tn+1时刻气体体积；iv.更新tn+1时刻隔间内液体质量MW＝MW0+MCD式中：MW——tn+1时刻液体质量；MW0——tn时刻液体质量；v.更新tn+1时刻隔间内液体温度式中：hW——tn+1时刻液体比焓；hW0——tn时刻液体比焓；hCD——冷凝水比焓；已知更新后tn+1时刻隔间内气体压力和液体比焓即利用插值法求出更新后液体的温度；步骤3：判断是否计算到最后一个隔间，若是，则到步骤5；否则，到步骤4；步骤4：计算安全壳壁面的冷凝水传递过程，并对下一个隔间进行步骤2计算，具体包括如下内容：1)计算第i号安全壳壁面的冷凝水以液膜的形式流入下部壁面的质量；Mout＝Min+MCD式中：Mout——离开壁面的液膜质量；Min——流入壁面的液膜质量；2)若第i号安全壳壁面上部无壁面，则Min为0；否则Min为第i-1号壁面的Mout值；若第i号安全壳壁面无下部壁面，则冷凝水以液膜形式流入水池；3)对下一个隔间进行步骤2计算，隔间计算顺序为从上往下进行计算。步骤5：利用计算流体力学软件CFX计算非能动安全壳空气冷却系统流动换热，具体包括如下内容：1)利用网格生成软件ICEMCFD对非能动安全壳空气冷却系统进行建模，将非能动安全壳空气冷却系统几何模型及网格模型导入计算流体力学软件CFX中；2)将非能动安全壳空气冷却系统的进口压力设置为大气压力，进口温度设置为环境温度；3)基于各个安全壳壁面温度及进口压力、进口温度计算得到非能动安全壳空气冷却系统的自然循环空气流速以及各部分的空气温度；4)基于非能动安全壳空气冷却系统的自然循环空气流速以及空气温度计算安全壳外壁面与非能动安全壳空气冷却系统内空气之间的换热量；步骤6：计算及传递各部分安全壳壁面温度，具体包括如下内容：1)计算得到各部分安全壳壁面的净吸热量：ΔQ＝Q1-Q2式中：ΔQ——壁面的净吸热量；Q1——壁面从隔间吸收的热量；Q2——壁面向非能动安全壳空气冷却系统散失的热量，若该部分壁面未与非能动安全壳空气冷却系统换热，该项为0；2)更新tn+1时刻各部分安全壳壁面的温度：tw——tn+1时刻某部分壁面的温度；tw0——tn时刻某部分壁面的温度；Δτ——时间步长；mw——某部分安全壳壁面质量；cpw——某部分安全壳壁面的定压比热容；步骤7：将tn+1时刻作为新的tn时刻，重复步骤(1)至(6)，直到新的tn时刻达到指定计算时间。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1.使用多节点安全壳程序和计算流体力学软件CFX耦合计算，对大型安全壳内热工水力行为使用多节点安全壳程序计算，速度快，计算资源需求少，而对于几何结构复杂，并且需要考虑辐射换热的非能动安全壳空气冷却系统使用计算流体力学软件CFX进行三维计算，精度高；2.能够模拟非能动安全壳空气冷却系统的运行状态，包括对安全壳壁面的冷却作用，金属壁面的辐射换热，以及复杂结构流道中的空气自然循环流动过程等；3.能够计算事故工况下，非能动安全壳空气冷却系统对安全壳内隔间的冷却作用；4.本方法可以对事故中安全壳内热工水力行为、非能动安全壳空气冷却系统运行过程以及安全壳与非能动安全壳空气冷却系统的作用过程进行耦合计算；5.计算流体力学软件CFX与多节点安全壳程序相对独立，可以分开计算，易于后期耦合程序的进一步开发。附图说明图1为安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析计算流程图。图2为安全壳及非能动安全壳空气冷却系统建模示意图。具体实施方式下面通过结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1：设定计算时间步长为Δτ，对安全壳内气体温度、气体压力、气体成分、安全壳壁面液膜厚度和安全壳壁面温度设置初始值；/n步骤2：利用多节点安全壳程序计算事故过程中某隔间与相邻安全壳壁面的换热以及某隔间内热工水力状态，具体包括如下内容：/n1)隔间与安全壳壁面之间为冷凝换热过程，基于隔间的气体温度和壁面温度计算得到时间步长结束时壁面吸收的热量和冷凝水量；/ni.冷凝水量/n

【技术特征摘要】
1.一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：设定计算时间步长为Δτ，对安全壳内气体温度、气体压力、气体成分、安全壳壁面液膜厚度和安全壳壁面温度设置初始值；
步骤2：利用多节点安全壳程序计算事故过程中某隔间与相邻安全壳壁面的换热以及某隔间内热工水力状态，具体包括如下内容：
1)隔间与安全壳壁面之间为冷凝换热过程，基于隔间的气体温度和壁面温度计算得到时间步长结束时壁面吸收的热量和冷凝水量；
i.冷凝水量



MCD——冷凝水量；
A——壁面面积；
HCD——冷凝传热系数；
TSG——隔间气体温度；
TSW——壁面温度；
Δτ——时间步长；
ΔH——汽化潜热；
冷凝传热系数HCD采用Uchida关系式进行计算：



ρvs——蒸汽密度；
ρvg——不凝气体密度；
ii.壁面吸收的热量
QCD＝MCDΔH
QCD——壁面吸收的热量；
2)更新tn+1时刻隔间内的蒸汽质量、混合气体温度、气体压力、液体质量和液体温度；
i.更新tn+1时刻隔间内蒸汽质量
MST＝MST0-MCD
式中：
MST——tn+1时刻蒸汽质量；
MST0——tn时刻蒸汽质量；
ii.更新tn+1时刻隔间内混合气体温度



式中：
TG——tn+1时刻混合气体温度；
TG0——tn时刻混合气体温度；
CV——混合气体热容；
iii.更新tn+1时刻隔间内气体压力



P——tn+1时刻气体压力；
PST——tn+1时刻蒸汽分压，由蒸汽质量、气相体积和气体温度计算得到；
NMN——tn+1时刻不凝气体摩尔数；
RG——气体常数；
VG——tn+1时刻气体体积；
iv.更新tn+1时刻隔间内液体质量
MW＝MW0+MCD
式中：
MW——tn+1时刻液体质量；
MW0——tn时刻液体质量；
v.更新tn+1时刻隔间内液体温度



式中：
hW——tn+1时刻液体比焓；
hW0——tn时刻液体比焓；
hCD——...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚培，葛魁，张慧芳，巫英伟，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