一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法，包括：首先在传统子通道划分的基础上进行进一步划分，得到精细化子通道；然后在棒弯曲区域上下游子通道控制体内均添加分布式阻力模型，并在子通道分析程序守恒方程源项中，定量添加流体对弯曲燃料棒的冲击摩擦贡献，即，将弯曲棒对流体产生的阻力分为横向力和轴向力，采用相关摩擦力表达式对其进行表达，之后将其添加至横向与轴向动量方程中，用以反映不同棒弯曲位置、弯曲区域长度、弯曲的角度、弯曲的偏心率等对流体产生的影响，完成考虑棒弯曲情况下子通道分析。本发明专利技术能够解决目前子通道分析方法无法体现棒弯曲效应的问题。弯曲效应的问题。弯曲效应的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法


[0001]本专利技术属于核反应堆热工水力仿真模拟
，具体涉及一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法。

技术介绍

[0002]临界热流密度(CHF)是反应堆热工水力设计和运行的重要限值，直接影响反应堆的安全性和经济性。提高CHF预测精度可以获得更高的热工裕量，从而在保证堆芯安全的基础上，提高反应堆的经济性。目前棒束CHF的预测方法主要为理论模型法和经验关系式法，由于临界热流密度现象十分复杂，尚无完善的CHF机理模型，目前工程应用上常使用基于棒束CHF实验数据开发的经验关系式，因此棒束CHF预测及其关系式的开发，对于反应堆的设计和安全分析有着重要意义。CHF关系式开发方法都是基于子通道分析方法预测的燃料组件内局部参数，对CHF关系式基本形式进行系数优化从而得到关系式，所以CHF关系式的准确性取决于子通道分析方法对局部参数预测的精确度。
[0003]然而，在压水堆堆芯寿期末燃料由于释放出裂变气体和辐照造成燃料棒和包壳不同程度的热膨胀和燃料肿胀可能会使燃料棒发生弯曲，造成组件几何参数和热工水力参数偏离设计值，使CHF的预测产生误差。因此必须考虑棒弯曲对局部参数的影响，以准确衡量棒弯曲对热工裕量造成的惩罚。
[0004]传统子通道分析方法在研究棒弯曲对CHF的影响时，一般通过改变弯曲棒相邻的子通道面积和间隙宽度来模拟棒弯曲对棒束几何参数的改变，进而获得局部热工水力参数。这种分析模拟方法没有充分考虑流体对弯曲燃料棒的冲击摩擦作用，难以获得精确的局部参数，从而严重影响CHF大小和位置预测的准确性。
[0005]因此需要建立新的考虑棒弯曲影响的子通道分析方法，选择合适的模型或者关系式进行表达，以反映不同棒弯曲位置、弯曲区域长度、弯曲的角度和弯曲的偏心率等对流体产生的影响，使其能够准确棒弯曲对冷却剂通道内流体分布、温度分布等参数的影响，以提高局部参数的预测精度，为棒束CHF预测及关系式的开发奠定基础。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，满足模拟分析需要，本专利技术的目的是提供一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法。本专利技术的子通道分析方法基于分布式阻力模型和精细化子通道划分方法进行精细化建模。本专利技术能充分体现单相和两相工况下由于棒弯曲引起的横流变化以及流道形状变化引起的轴流变化，解决目前子通道分析方法无法体现棒弯曲效应的问题。
[0007]本专利技术采用以下技术方案来实现：
[0008]一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法，包括：
[0009]首先在传统子通道划分的基础上进行进一步划分，得到精细化子通道；然后在棒弯曲区域上下游子通道控制体内均添加分布式阻力模型，并在子通道分析程序守恒方程源
项中，定量添加流体对弯曲燃料棒的冲击摩擦贡献，即，将弯曲棒对流体产生的阻力分为横向力和轴向力，采用相关摩擦力表达式对其进行表达，之后将其添加至横向与轴向动量方程中，用以反映不同棒弯曲位置、弯曲区域长度、弯曲的角度和弯曲的偏心率对流体产生的影响，完成考虑棒弯曲情况下子通道分析。
[0010]本专利技术进一步的改进在于，该方法具体包括以下步骤：
[0011]第一步：根据堆芯运行参数和棒束结构参数建立数学模型，得到燃料组件的子通道面积、间隙宽度和棒弯曲挠度几何条件以及每个控制体的质量流速、温度、密度边界条件和初始条件，作为接下来的迭代求解方程的基本条件；由软件输入模块读取几何参数和计算工况，对于弯曲的燃料棒还需给出弯曲棒的几何参数，即弯曲的起始点和终点，通过梁在中间受力的变形挠曲线计算棒的弯曲转角、挠度以及子通道的变形，然后将堆芯燃料棒束划分成非均匀的子通道，并设置边界条件和初始条件；
[0012]第二步：第一步的几何和工况预处理完成后，进入外迭代，首先是在已经得到的几何条件、边界条件和初始条件的基础上，求解横向动量方程，获得所有轴向位置、所有间隙的横流以及最大横流残差，横流用于第三步轴向动量方程和第四步质量方程的求解计算，残差用于第六步收敛判断；对于弯曲的燃料棒区域需额外考虑弯曲棒对流体的作用力，在子通道渐缩段，基于分布式阻力模型，对弯曲棒进行受力分析，得到弯曲棒对流体的切向阻力和法向阻力，并选择合适的摩擦力表达式进行表示，受力分解后将摩擦力的横向分力加入到横向动量方程中，以定量的表征弯曲棒对流体的横向作用力；
[0013]第三步：带入第一步和第二步中得到的几何条件、边界条件和初始条件，求解轴向动量方程，获得所有轴向位置和所有子通道的轴流以及最大轴流残差，轴流用于第四步的质量方程求解，残差用于第六步的收敛判断；将第二步中得到弯曲棒对流体的切向阻力和法向阻力进行受力分解，将其中的轴向分力代入轴向动量方程中，以定量的表征弯曲棒对流体的轴向作用力；此外，在子通道渐扩段，为考虑流通面积变化引起的流体能量损失，基于渐扩管的局部阻力关系式，将这一部分以局部阻力的形式表征和计算，并且一并加入到轴向动量方程中完成方程的封闭；
[0014]第四步：用第二步得到的横流和第三步得到的轴流作为初始条件，进入内迭代，采用PV耦合方法按照压力关系式求解质量守恒方程，得到压力修正值，并对压力、轴流和横流进行修正，并不断重复这个过程，当迭代次数达到最大迭代次数或者满足收敛条件时，内迭代结束，此时得到更新后的轴流、横流和压力以及最大质量残差，残差用于第六步收敛判断，其余作为第五步能量方程求解的边界条件和初始条件；
[0015]第五步：将第四步得到的横流、轴流带入能量方程，求解两相混合物的能量方程、液相能量方程和气相能量方程，得到所有轴向位置处所有子通道的焓、空泡份额以及相流量，相流量将在下一次的外迭代中更新；
[0016]第六步：保存本此外迭代中得到的横流、轴流、压力、焓以及相流量，一方面用于下一次外迭代，作为第二步到第四步方程求解的初始条件，另一方面用于监测迭代过程中流场和能量场的相对变化，得到本此迭代和上次迭代的最大轴流相对变化率和最大横流相对变化率；
[0017]第七步：对比上述步骤中得到的轴流相对变化率、横流相对变化率、横流残差、轴流残差、质量残差以及焓残差判断是否达到收敛准则，若收敛则结束计算并输出结果，否则
进入下一次外迭代过程，重复第二步至第六步。
[0018]本专利技术进一步的改进在于，第二步中，横向动量方程的表达式如下：
[0019][0020]式中：y和Δy——分别表示横向位置和横向控制体的宽度/m；W——横向质量流量/kg
·
s
‑1；V——横向流速/m
·
s
‑1；F——轴向质量流量/kg
·
s
‑1；x和Δx——分别表示轴向位置和轴向控制体的高度/m；k——间隙编号；N——组成横向控制体间隙的总数；D
k
——横流方向符号，取
±
1；V
ol
——控制体的体积/m3；P——压力/kPa；A
w
——壁面换热面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法，其特征在于，包括：首先在传统子通道划分的基础上进行进一步划分，得到精细化子通道；然后在棒弯曲区域上下游子通道控制体内均添加分布式阻力模型，并在子通道分析程序守恒方程源项中，定量添加流体对弯曲燃料棒的冲击摩擦贡献，即，将弯曲棒对流体产生的阻力分为横向力和轴向力，采用相关摩擦力表达式对其进行表达，之后将其添加至横向与轴向动量方程中，用以反映不同棒弯曲位置、弯曲区域长度、弯曲的角度和弯曲的偏心率对流体产生的影响，完成考虑棒弯曲情况下子通道分析。2.根据权利要求1所述的一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：第一步：根据堆芯运行参数和棒束结构参数建立数学模型，得到燃料组件的子通道面积、间隙宽度和棒弯曲挠度几何条件以及每个控制体的质量流速、温度、密度边界条件和初始条件，作为接下来的迭代求解方程的基本条件；由软件输入模块读取几何参数和计算工况，对于弯曲的燃料棒还需给出弯曲棒的几何参数，即弯曲的起始点和终点，通过梁在中间受力的变形挠曲线计算棒的弯曲转角、挠度以及子通道的变形，然后将堆芯燃料棒束划分成非均匀的子通道，并设置边界条件和初始条件；第二步：第一步的几何和工况预处理完成后，进入外迭代，首先是在已经得到的几何条件、边界条件和初始条件的基础上，求解横向动量方程，获得所有轴向位置、所有间隙的横流以及最大横流残差，横流用于第三步轴向动量方程和第四步质量方程的求解计算，残差用于第六步收敛判断；对于弯曲的燃料棒区域需额外考虑弯曲棒对流体的作用力，在子通道渐缩段，基于分布式阻力模型，对弯曲棒进行受力分析，得到弯曲棒对流体的切向阻力和法向阻力，并选择合适的摩擦力表达式进行表示，受力分解后将摩擦力的横向分力加入到横向动量方程中，以定量的表征弯曲棒对流体的横向作用力；第三步：带入第一步和第二步中得到的几何条件、边界条件和初始条件，求解轴向动量方程，获得所有轴向位置和所有子通道的轴流以及最大轴流残差，轴流用于第四步的质量方程求解，残差用于第六步的收敛判断；将第二步中得到弯曲棒对流体的切向阻力和法向阻力进行受力分解，将其中的轴向分力代入轴向动量方程中，以定量的表征弯曲棒对流体的轴向作用力；此外，在子通道渐扩段，为考虑流通面积变化引起的流体能量损失，基于渐扩管的局部阻力关系式，将这一部分以局部阻力的形式表征和计算，并且一并加入到轴向动量方程中完成方程的封闭；第四步：用第二步得到的横流和第三步得到的轴流作为初始条件，进入内迭代，采用PV耦合方法按照压力关系式求解质量守恒方程，得到压力修正值，并对压力、轴流和横流进行修正，并不断重复这个过程，当迭代次数达到最大迭代次数或者满足收敛条件时，内迭代结束，此时得到更新后的轴流、横流和压力以及最大质量残差，残差用于第六步收敛判断，其余作为第五步能量方程求解的边界条件和初始条件；第五步：将第四步得到的横流、轴流带入能量方程，求解两相混合物的能量方程、液相能量方程和气相能量方程，得到所有轴向位置处所有子通道的焓、空泡份额以及相流量，相流量将在下一次的外迭代中更新；第六步：保存本此外迭代中得到的横流、轴流、压力、焓以及相流量，一方面用于下一次外迭代，作为第二步到第四步方程求解的初始条件，另一方面用于监测迭代过程中流场和
能量场的相对变化，得到本此迭代和上次迭代的最大轴流相对变化率和最大横流相对变化率；第七步：对比上述步骤中得到的轴流相对变化率、横流相对变化率、横流残差、轴流残差、质量残差以及焓残差判断是否达到收敛准则，若收敛则结束计算并输出结果，否则进入下一次外迭代过程，重复第二步至第六步。3.根据权利要求2所述的一种模拟堆芯燃料棒弯曲热工水力行为的子通道分析方法，其特征在于，第二步中，横向动量方程的表达式如下：式中：y和Δy——分别表示横向位置和横向控制体的宽度/m；W——横向质量流量/kg
·
s
‑1；V——横向流速/m
·
s
‑1；F——轴向质量流量/kg
·
s
‑1；x和Δx——分别表示轴向位置和轴向控制体的高度/m；k——间隙编号；N——组成横向控制体间隙的总数；D
k
——横流方向符号，取
±
1；V
ol
——控制体的体积/m3；P——压力/kPa；A
w
——壁面换热面积/m2；τ
w
——壁面剪切应力/Pa；ρ——密度/kg
·
m
‑3；g——重力加速度/m
·
s
‑2；W
V
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【专利技术属性】
技术研发人员：蒋理，郭俊良，单建强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：