一种用于熔融物碎片床形成过程特性分析的方法技术

一种用于熔融物碎片床形成过程特性分析的方法，主要步骤如下：1、进行几何建模，网格划分；2、熔融物碎片形态建模、碎片材料及冷却剂材料选择、初始参数设定；3、EDEM软件及Fluent软件进行耦合，设置计算模型及边界条件；4、计算流体质量、能量、动量守恒方程，得到气液份额、流体状态、温度分布；5、计算固液相互作用力及传热模型，得到流体对碎片的曳力及传热量；6、计算熔融物碎片的固体碰撞力学模型及导热模型；7、结合Fluent传输的曳力、传热量信息计算下一时刻熔融物碎片的位置、速度及温度分布；8、判断是否达到结束时间，若否则按时间步长推进，若是则输出计算结果。基于本发明专利技术方法，可预测最终熔融物碎片床形态特征。可预测最终熔融物碎片床形态特征。可预测最终熔融物碎片床形态特征。

【技术实现步骤摘要】
一种用于熔融物碎片床形成过程特性分析的方法


[0001]本专利技术涉及核电厂严重事故堆芯熔融物碎片与冷却剂的流固耦合力学作用及传热相变研究
，具体涉及一种用于熔融物碎片床形成过程特性分析的方法。

技术介绍

[0002]1979年三哩岛核事故中，反应堆堆芯发生熔毁导致部分燃料棒锆包壳核铀燃料熔化，造成放射性物质外泄。此事故引起国际上核领域的学者对核反应堆严重事故的高度关注，对此提出了一项严重事故管理策略：熔融物堆内滞留(In
‑
Vessel Retention，IVR)策略。熔融物堆内滞留是指核电厂发生严重事故后，通过采用一系列策略或手段，使堆芯熔融物滞留在压力容器内，以保持压力容器的完整性，从而将严重事故后果限定在一回路边界内。
[0003]国际上对此熔融物堆内滞留策略进行了广泛而深入的研究，目前可将堆芯熔融严重事故后行为分为以下几个方面：熔融物与水相互反应(含蒸汽爆炸阶段、射流破碎)、熔融物碎片沉降堆积形成碎片床、碎片床的冷却、碎片床再熔化、熔池动态行为。前期的研究主要针对蒸汽爆炸过程、碎片床的冷却过程，而碎片床形成过程以及碎片床再熔化此类过程的研究相对空白，本专利技术是针对熔融物碎片床形成过程特性分析而开发的一种计算方法。
[0004]初始阶段的碎片床形成过程研究主要利用实验研究，国际上对此开展了大量的熔融物注入水池的实验，并据此提出一系列机理模型、半经验公式以及经验公式。在实验和模型的基础上，继而开发出大量一体化严重事故分析程序，可对熔融物射流进入水池后的一系列过程进行模拟。尽管如此，由于各种过程本身的复杂性以及实验条件的有限性(如采用模拟材料和非原型尺度)，目前对严重事故某些现象的认识和预测仍存在很大的不确定性。堆内熔融物熔化后期进程是亟需进一步研究的领域，因为它不但影响电厂对整个严重事故的预测，还关系到堆内熔融物对压力容器的动态演变，与核反应堆安全性密切相关。
[0005]熔融物与冷却剂水接触后发生碎裂，形成大小及形状不定的熔融物碎片，熔融物碎片在重力驱动下在沉降，堆积在堆芯支撑结构或反应堆容器下腔室形成碎片床的过程叫做碎片床形成过程。碎片床形成过程对碎片床最终形态的确定起着决定性作用，研究此过程对提高碎片床冷却性能、降低碎片床再熔化风险以及保持压力容器安全壳的完整性具有重大意义，但碎片床形成过程的计算模型研究相对较少，这在国内外属于一个尚不完善的研究领域。
[0006]部分学者在核反应堆严重事故领域中使用力学分析方法及计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法来模拟碎片床的形成过程，如采用离散元法(Discrete Element Method,DEM)对严重事故中碎片床的形成过程进行二维、三维数值模拟，采用了接触动力学(Contact Dynamics,CD)方法对堆芯熔融物碎片的崩塌和堆积进行研究，分析了碎片床堆积形态的孔隙率。但此类离散介质力学分析方法，仅可以完成颗粒间的碰撞模拟，无法满足固液两相流模拟的要求。部分学者将熔融物碎片视为连续介质进行模拟，如使用CFD方法来研究熔融物与水的相互作用，但计算结果与小规模混合实验吻合不
好。
[0007]因此，本研究综合离散介质力学分析方法及计算流体动力学提出一种用于熔融物碎片床形成过程特性分析的方法。

技术实现思路

[0008]为了研究碎片与冷却剂相互作用过程，得到碎片床形成过程的熔融物碎片运动特征以及最终碎片床形态，本专利技术针对核电厂堆芯熔融事故模拟及熔融物与水相互作用实验模拟，在现有技术上提供了一种用于熔融物碎片床形成过程特性分析的方法，该方法能够对熔融物固体碎片间的相互作用过程、熔融物固体碎片与流动冷却剂的流固耦合相互作用过程、熔融物固体碎片与流动冷却剂传热过程中传热、相变现象进行研究，存在计算速度快、计算设置简单的优势，避免了大量繁琐的前处理和后处理，可获得熔融物碎片颗粒沉降过程中熔融物碎片的位置、速度、温度、所受合力随时间的变化过程，获得流体域内气液体积份额、流体分布、速度、压力、温度随时间的变化，获得熔融物固体和流体间的相互作用力、相间传热量，获得最终碎片床堆积形态、孔隙率、温度分布，通过以上数据能对碎片床形成过程中的熔融物碎片运动过程、气液沸腾现象、固液温度变化过程、固液相间相互作用力进行分析以及预测最终碎片床形态。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采取了以下的技术方案予以实施：
[0010]一种用于熔融物碎片床形成过程特性分析的方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1：基于核电厂反应堆堆芯熔融事故模拟或熔融物与水相互作用实验中的计算对象，获取熔融物碎片特征信息及核反应堆堆芯结构或实验设备信息，对堆芯结构或实验设备、熔融物碎片和流体的计算域进行几何建模，并对几何体进行网格划分；
[0012]步骤2：在EDEM软件内对熔融物碎片形态及尺寸进行建模，设置熔融物碎片的材料类型、材料热物性、材料力学性能、质量或体积、初始速度、初始温度基本信息，设置核反应堆堆芯结构或实验容器的材料类型、材料热物性和力学性能信息，设置熔融物碎片间、熔融物碎片与壁面间的接触力学参数；在Fluent软件内选择流体名称并设置流体的形态、热物性、初始温度、初始速度及流体在计算域内的分布；
[0013]步骤3：通过Fluent软件的UDF功能将Fluent软件与EDEM软件提供的适配器接口Adaptor Interface实现耦合，使得两个软件的熔融物碎片运动及流场信息能进行互相传递；选择EDEM软件内的接触力学模型、熔融物碎片的颗粒传热模型，并设置熔融物碎片释放的边界条件、计算时间步长、计算时间及数据存储频率；选择Fluent软件内流体的多相流模型、湍流模型、气液蒸发冷凝模型、流固耦合曳力模型及相应的边界条件；
[0014]步骤4：结合EDEM软件传递的初始熔融物碎片颗粒信息，将熔融物碎片视为Fluent软件内DPM模型注入的固相碎片，使用Fluent软件内多相流模型计算质量方程、动量方程、能量方程得到下一时刻流体域的气液份额及其分布、流体流动状态、温度分布；其中气液份额使用蒸发冷凝模型—Lee模型进行计算，如式(1)、式(2)、式(3)所示，能计算气液相间质量交换：
[0015][0016][0017][0018]式中：
[0019]v——代表蒸汽相；
[0020]l——代表液相；
[0021]α
v
——蒸汽体积份额；
[0022]ρ
v
——蒸汽密度/kg
·
m
‑3；
[0023]——蒸汽相速度/m
·
s
‑1；
[0024]——蒸发质量速率/kg
·
s
‑1·
m
‑3；
[0025]——冷凝质量速率/kg
·
s
‑1·
m
‑3；
[0026]α
l
——液相体积份额；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于熔融物碎片床形成过程特性分析的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：基于核电厂反应堆堆芯熔融事故模拟或熔融物与水相互作用实验中的计算对象，获取熔融物碎片特征信息及核反应堆堆芯结构或实验设备信息，对堆芯结构或实验设备、熔融物碎片和流体的计算域进行几何建模，并对几何体进行网格划分；步骤2：在EDEM软件内对熔融物碎片形态及尺寸进行建模，设置熔融物碎片的材料类型、材料热物性、材料力学性能、质量或体积、初始速度、初始温度基本信息，设置核反应堆堆芯结构或实验容器的材料类型、材料热物性和力学性能信息，设置熔融物碎片间、熔融物碎片与壁面间的接触力学参数；在Fluent软件内选择流体名称并设置流体的形态、热物性、初始温度、初始速度及流体在计算域内的分布；步骤3：通过Fluent软件的UDF功能将Fluent软件与EDEM软件提供的适配器接口Adaptor Interface实现耦合，使得两个软件的熔融物碎片运动及流场信息能进行互相传递；选择EDEM软件内的接触力学模型、熔融物碎片的颗粒传热模型，并设置熔融物碎片释放的边界条件、计算时间步长、计算时间及数据存储频率；选择Fluent软件内流体的多相流模型、湍流模型、气液蒸发冷凝模型、流固耦合曳力模型及相应的边界条件；步骤4：结合EDEM软件传递的初始熔融物碎片颗粒信息，将熔融物碎片视为Fluent软件内DPM模型注入的固相碎片，使用Fluent软件内多相流模型计算质量方程、动量方程、能量方程得到下一时刻流体域的气液份额及其分布、流体流动状态、温度分布；其中气液份额使用蒸发冷凝模型—Lee模型进行计算，如式(1)、式(2)、式(3)所示，能计算气液相间质量交换：换：换：式中：v——代表蒸汽相；l——代表液相；α
v
——蒸汽体积份额；ρ
v
——蒸汽密度/kg
·
m
‑3；——蒸汽相速度/m
·
s
‑1；——蒸发质量速率/kg
·
s
‑1·
m
‑3；——冷凝质量速率/kg
·
s
‑1·
m
‑3；α
l
——液相体积份额；ρ
l
——液相密度/kg
·
m
‑3；T
l
——液相温度/K；
T
sat
——液相饱和温度/K；c——调节系数，类似于松弛时间；步骤5：使用流固耦合力学模型及流固相间传热模型计算流体对熔融物碎片颗粒的曳力、相间传热量，并传递给EDEM软件内所有熔融物碎片颗粒；流固耦合力学模型形式如下式(4)，流固相间传热模型如下式(5)：(4)，流固相间传热模型如下式(5)：式中：——代表熔融物碎片颗粒的受力/N；s——代表熔融物碎片颗粒相；f——代表流体相；m
s
——颗粒质量/kg；τ
r
——颗粒松弛时间；——流体相速度/m
·
s
‑1；——熔融物碎片颗粒相速度/m
·
s
‑1；ρ
s
——熔融物碎片颗粒相密度/kg
·
m
‑3；ρ
f
——流体相密度/kg
·
m
‑3；——重力加速度/m
·
s
‑2；C
vm
——虚拟质量因子；c
p,s
——颗粒的比热容/J
·
kg
‑1·
K
‑1；h——对流换热...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈荣华，丁雯，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：