基于自适应迭代步的自然循环系统特性多尺度模拟方法技术方案

本发明专利技术是一种基于自适应迭代步的自然循环系统特性多尺度模拟方法，其特点是，包括建立自然循环系统、设计交互参数自适应收敛判据、构建自适应收敛阈值函数。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更新交互流速；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的收敛阈值；基于历史交互流速构建收敛阈值的自适应函数，实现耦合程序快速收敛至精确值。本发明专利技术具有自适应能力强、高效易行和不依赖经验等优点。特别适用于分析具有复杂结构热源的自然循环系统流动与换热特性。环系统流动与换热特性。环系统流动与换热特性。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应迭代步的自然循环系统特性多尺度模拟方法


[0001]本专利技术涉及流动与换热数值计算领域，是一种基于自适应迭代步的自然循环系统特性多尺度模拟方法，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]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。因此，固定迭代步数的预设值依赖数值模拟经验，通常采用试算法求得。
[0005]综上分析可知，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能力、普适性和鲁棒性较差的缺点。

技术实现思路

[0006]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，应用价值高的基于自适应迭代步的自然循环系统特性多尺度模拟方法，本专利技术的方法能够实现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特性。
[0007]实现本专利技术目的采用的技术方案是，一种基于自适应迭代步的自然循环系统特性多尺度模拟方法，其特征是，它包括以下步骤：
[0008]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；
[0009]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
；
[0010]3)计算三维程序得到的出口温度T
out
和压降ΔP
re
的收敛阈值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；
[0011]4)当出口温度T
out
和压降ΔP
re
的方差均小于收敛阈值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
；
[0012]5)根据驱动压头ΔP
d
和总阻力压降ΔP
z
的定量关系更新流速v
i
，得到更新后的流速v
i+1
，具体为：v
i+1
＝v
i
[1+(ΔP
d
‑
ΔP
z
)/(ΔP
d
+ΔP
z
)]；
[0013]6)根据历史交互流速v
i
和v
i+1
更新步骤4)中的收敛阈值δ，具体为δ＝arctan{[|v
i+1
‑
v
i
|/max(v
i+1
,v
i
)]C
}，其中，C为常数，取值为0.3，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阈值进行自适应更新，并实现耦合程序的快速、准确收敛；
[0014]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。
[0015]本专利技术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的有益效果是：
[0016]1、建立了一个高效、准确的一维和三维程序的自适应多尺度耦合方法，用以计算和分析含复杂热源的自然循环系统的热工水力特性；
[0017]2、基于耦合流速构建三维程序计算参数收敛的自适应判据，并提出一维和三维程序的自适应耦合计算方法，实现耦合程序的自适应迭代收敛，在保证精度的前提下，提高了耦合程序的高效性；
[0018]3、构造的自适应函数使收敛阈值δ的取值范围在[0，π/2)之间，这样避免收敛阈值过大使得三维程序计算参数不稳定导致耦合发散的问题。
[0019]4、可用于自然循环系统的流动与换热特性的定量分析，可以代替人为实验测量的复杂流程，并能实时获得具有三维流动特征的复杂结构热源内冷却剂的三维流场和温度场，并可为自然循环系统的优化设计提供指导；
[0020]5、本专利技术在任意工况下均无需修改自适应函数参数，不依赖模拟经验，提高了多尺度耦合模拟方法的普适性；
[0021]6、其方法科学合理，自适应能力强，应用价值高。
附图说明
[0022]图1为一种自然循环系统结构示意图；
[0023]图2为一维用户程序和三维程序的自适应耦合程序框图；
[0024]图3为本专利技术结果与实验结果对比结果；
[0025]图4为固定迭代步方法和本专利技术方法对比结果；
[0026]图5为花瓣形燃料元件结构示意图；
[0027]图6为3
×
3花瓣形燃料组件示意图；
[0028]图7为花瓣形燃料组件耦合流速收敛结果；
[0029]图8为花瓣形燃料组件中心截本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应迭代步的自然循环系统特性多尺度模拟方法，其特征是，它包括以下步骤：1)建立自然循环式非能动安全系统的第一管路、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
的收敛阈值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
的方差均小于收敛阈值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)根据驱动压头ΔP
d

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建闯，蔡伟华，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：