用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法技术方案

本发明专利技术是一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，其特点是，包括建立自然循环系统、初始流速优化、设计交互参数自适应收敛判据、构建自适应收敛标准函数。采用自然循环系统的驱动压头和总阻力压降间的定量关系优化初始流速；将一维和三维程序交互参数的方差作为判断三维程序计算参数是否达到稳定或接近稳定态的收敛标准，并基于耦合流速构建收方差的自适应函数；根据一维和三维程序的交互流速自适应调节收敛标准，实现耦合程序收敛至精确值。本发明专利技术具有自适应能力强、高效易行和鲁棒性高等优点。特别适用于分析具有复杂结构热源的自然循环系统的热工水力特性。力特性。力特性。

【技术实现步骤摘要】
用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法


[0001]本专利技术涉及流动与换热数值计算领域，是一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，特别适用于具有一维和三维流动特征的自然循环系统热工水力特性的定量分析。

技术介绍

[0002]自然循环作为非能动安全技术的主要原理之一，其在能源和化工等领域应用极为广泛。其中，为进一步提升核电站的安全性，第三代核电厂广泛采用非能动的设计理念。由于自然循环系统具有结构简单，固有安全性好等优点，自然循环式非能动安全系统在第三代核电厂中得到普遍应用。因此，研究基于自然循环式非能动安全系统的热工水力特性对核电厂的安全设计至关重要。
[0003]目前，本领域技术人员针对自然循环系统热工水力特性的研究主要采用基于集总参数法的一维分析程序，该程序具有计算流速快、参数调节灵活等优点。然而，对于具有复杂结构的热源如反应堆热源和列管式换热器，其内部存在显著的三维流动特征，如二次流、涡流等。因此，采用传统一维分析程序无法模拟其内部复杂的三维流场。同时，如果仅采用三维程序对整个自然循环系统模拟则需要庞大的网格量，时间成本极高。因此，本专利技术结合一维程序和三维程序软件的优点，开发了一维程序和三维程序的自适应耦合计算方法，实现了对具有一维和三维流动特征的自然循环系统热工水力特性的快速和准确模拟，可为研究人员提供极具价值的研究工具。
[0004]在现有的文献中，针对一维程序和三维程序自适应多尺度耦合的研究很少，其中张银星等提出一维用户程序和三维程序STAR
>‑
CCM+的多尺度耦合方法(张银星,高璞珍,何晓强,等.STAR
‑
CCM+与一维用户程序耦合方法[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(11):1669
‑
1674.)。该方法讲述了一维用户程序和三维程序STAR
‑
CCM+的数据交互方法。通过STAR
‑
CCM+预设固定迭代步数，使其计算参数稳定，然后与一维用户程序进行数据交互。然而，实际应用中发现，当固定迭代步数选取过大时，会导致耦合收敛的时间显著增加。当固定迭代步数选取过小时，交互参数未达到稳态或接近稳态，数据交互会导致耦合程序计算发散。此外，该方法中对一维用户程序初始流速的设置具有较高的要求，需依赖实验经验，仅当初始流速与实际工况下自然循环流速稳定值的偏差较小时，耦合计算才能收敛。综上可知，采用固定迭代步的一维和三维多尺度耦合方法具有自适应差、初始流速影响耦合程序的收敛能力和依赖实验经验的不足。

技术实现思路

[0005]鉴于现有技术基于固定迭代步的一维和三维程序耦合方法的局限性，本专利技术的目的是，提出一种科学合理，自适应能力强，应用价值高的用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，本专利技术的方法能够实现任意初始流速下一维和三维耦合程序
的快速、准确收敛，同时该方法也可用于计算分析含其它复杂热源的自然循环系统的热工水力特性。
[0006]实现本专利技术目的采用的技术方案是，一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，其特征是，它包括以下步骤：
[0007]1)建立自然循环系统的第一管路、第二管路、第三管路和第四管路的一维流动阻力与换热计算程序和热源的三维流动与换热计算程序；
[0008]2)设初速流速为v
i
，并将v
i
作为三维计算程序的入口流速边界条件，采用三维程序计算热源的压降ΔP和出口温度T
out
；
[0009]3)计算三维程序得到的出口温度T
out
和压降ΔP
re
的收敛标准δ，将三维程序计算的热源出口温度T
out
和热源压降ΔP
re
，根据连续n次迭代步的历史值求方差，并作为热源出口温度和压降的参数收敛判据，具体为且I为三维程序迭代步，n为间隔迭步数；
[0010]4)当出口温度T
out
和压降ΔP
re
的方差均小于收敛标准δ，将三维程序计算的出口温度T
out
和压降ΔP
re
传递给一维计算程序，并计算驱动压头ΔP
d
和总阻力压降ΔP
z
；
[0011]5)当ΔP
d
≤ΔP
z
/2时，对初始流速v
i
进行优化，根据驱动压头ΔP
d
和总阻力压降ΔP
z
的大小，对初始流速v
i
进行优化，具体优化方法为：
[0012]对于两相工况计算，当|(ΔP
d
‑
ΔP
z
)/(ΔP
d
+ΔP
z
)|＜0.5时，v
i
＝v
i
[1+(ΔP
d
‑
ΔP
z
)/(ΔP
d
+ΔP
z
)]；当|(ΔP
d
‑
ΔP
z
)/(ΔP
d
+ΔP
z
)|≥0.5时，v
i
＝0.5v
i
。
[0013]对于单相工况计算，根据热平衡关系式Q＝ρvAc
p,ave
ΔT，Q为热源功率，ρ为热源入口密度，A为流通面积，c
p,ave
为热源平均定压比容，ΔT为热源进出口温差。以热源出口流体过冷度为20℃为基准对初始速度进行优化，具体为：v
i
＝Q/[ρAc
p,ave
(T
sat
‑
T
in
‑
20)]，并返回步骤3)，当ΔP
d
＞ΔP
z
/2时，根据式v
i+1
＝v
i
[1+(ΔP
d
‑
ΔP
z
)/(ΔP
d
+ΔP
z
)]，得到更新后的流速v
i+1
；
[0014]6)根据流速v
i
和v
i+1
更新步骤4)中的收敛标准δ，具体为δ＝C|v
i+1
‑
v
i
|/max(v
i+1
,v
i
)，C为定值常数，i为数据交互次数，max()为取最大值函数，δ根据一维和三维程序的交互流速对收敛标准进行自适应更新，实现耦合程序收敛至精确值；
[0015]7)将更新后的流速v
i+1
传递给三维计算程序，并转到步骤3)，直至v
i
与v
i+1
相同，完成一维程序和三维程序的自适应多尺度耦合。
[0016]本专利技术一种用于分析本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于分析自然循环系统热工水力特性的自适应多尺度耦合方法，其特征是，它包括以下步骤：1)建立自然循环系统的第一管路、第二管路、第三管路和第四管路的一维流动阻力与换热计算程序和热源的三维流动与换热计算程序；2)设初速流速为v
i
，并将v
i
作为三维计算程序的入口流速边界条件，采用三维程序计算热源的压降ΔP和出口温度T
out
；3)计算三维程序得到的出口温度T
out
和压降ΔP
re
的收敛标准δ，将三维程序计算的热源出口温度T
out
和热源压降ΔP
re
，根据连续n次迭代步的历史值求方差，并作为热源出口温度和压降的参数收敛判据，具体为且I为三维程序迭代步，n为间隔迭步数；4)当出口温度T
out
和压降ΔP
re
的方差均小于收敛标准δ，将三维程序计算的出口温度T
out
和压降ΔP
re
传递给一维计算程序，并计算驱动压头ΔP
d
和总阻力压降ΔP
z
；5)当ΔP
d
≤ΔP
z
/2时，对初始流速v
i
进行优化，根据驱动压头ΔP
d
和总阻力压降ΔP
z
的大小，对初始流速v
i
进行优化，具体优化方法为：对于两相工况计算，当|(ΔP
d
‑
ΔP
z
)/(ΔP
d
+ΔP
z
)|＜0.5时，v
i
＝v
i
[1+(ΔP
d
‑
ΔP
z
)/(ΔP
d
+ΔP
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡伟华，孙建闯，李智明，张文超，李伟超，侯延栋，杜立鹏，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：