一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法，包括：求解焓守恒方程，计算碎片床区域网格的液体分数和温度梯度向量，并将其存储在网格中；计算碎片床熔化形成熔池的几何尺寸；计算碎片床熔化区域的熔池特征参数；计算熔池内传热特征尺度；计算液相区的传热速度；计算网格传热速度分量及糊状区传热速度；计算显式对流项；显式对流项均匀去除；计算得到能量守恒方程修正后的源项；迭代计算能量守恒方程，得到最新温度分布及液体分数分布，完成单位时间步长内碎片床熔化过程计算。本发明专利技术方法无需求解碎片床熔化过程中的动量方程，又能描述碎片床向不同方向的散热量和温度变化，极大提高了碎片床熔化过程的计算效率又确保了计算准确性。保了计算准确性。保了计算准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法


[0001]本专利技术涉及计算流体动力学
，具体涉及一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法。

技术介绍

[0002]在严重事故下堆芯熔毁之后，熔融物迁移至压力容器下封头并被冷却水冷却从而形成固体碎片床。如果碎片床得不到有效冷却，随着衰变热释放，其会再次升温并熔化形成熔池。碎片床熔化对熔池内部传热及壁面热流密度分布具有重要影响，进而影响压力容器的完整性及熔融物泄漏时的状态，是严重事故中的重要现象。但是由于碎片床熔化过程的长瞬态特性，目前关于碎片床熔化形成熔池动态过程的研究仍然较少，所以寻求一种高效简便的计算方法，对于反应堆严重事故的研究具有重要意义。
[0003]在计算流体力学领域，求解固液相变过程主要采用焓
‑
孔隙率法；对于碎片床熔化形成的熔池，由于其内部的强湍流，RANS方程通常无法描述其流动，故目前熔池传热研究主要采用LES的方法。LES法对大尺度涡直接求解，小涡对大涡的影响通过近似模型来考虑，该方法通常需要较高的计算机内存及速度。而对于碎片床熔化长达数十小时的瞬态过程，采用焓
‑
孔隙率法耦合LES法的求解方法，则会使得计算效率较低。并且对于全尺度的压力容器下封头碎片床熔化的三维模拟，计算成本将是极高的。LES湍流模型中对大涡的直接求解是导致计算量大的主要因素，但对于碎片床熔化过程，我们更关心熔化过程中碎片床向不同方向的散热量和温度变化，如果能够不求解熔池湍流而又能描述熔化过程中温度演变和热量分配，对提高数值模拟的计算速度具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]为了解决上述由于采用LES湍流模型所导致碎片床熔化过程计算量较大的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法。该方法基于传热速度的概念，仅考虑熔池内自然对流过程对熔化过程的影响，从而避免碎片床熔化过程中的动量方程的求解。采用该方法，可以仅求解能量守恒方程，有效减小了计算量，又能获得碎片床熔化过程中瞬态温度分布，该方法可以方便地使用于二维和三维碎片床熔化计算。
[0005]本专利技术的目的通过如下技术方案实现。
[0006]一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法，包括以下步骤：
[0007]S1、求解焓守恒方程，计算碎片床区域网格的液体分数和温度梯度向量，并将其存储在相应的网格中；
[0008]S2、计算碎片床熔化形成熔池的几何尺寸，获得碎片床熔池高度和宽度；
[0009]S3、计算碎片床熔化区域的熔池特征参数；
[0010]S4、计算熔池内传热特征尺度；
[0011]S5、计算碎片床区域网格所处液相区的传热速度；
[0012]S6、计算网格传热速度分量及糊状区传热速度；
[0013]S7、计算显式对流项，作为由于熔池自然对流所传递给边界的热量；
[0014]S8、显式对流项均匀去除，实现整个碎片床熔池内的能量守恒关系；
[0015]S9、计算能量守恒方程修正后的源项；
[0016]S10、迭代计算能量守恒方程，从而得到最新温度分布及液体分数分布，完成单位时间步长内碎片床熔化过程计算。
[0017]进一步地，步骤S2中，依据每个碎片床区域网格的液体分数，来计算碎片床熔化区域的几何参数；通过遍历液体分数大于0的网格，获得网格横纵坐标的最大值和最小值便能计算获得碎片床当前熔化区域的高度和宽度。
[0018]进一步地，步骤S3中，依据S2步骤中获得的碎片床熔池高度，计算熔池特征参数，熔池特征参数包括熔池瑞利数Ra和努塞尔数Nu，瑞利数Ra的计算如公式(1)所示，计算努塞尔数Nu时，采用熔池实验所获得的传热关联式；
[0019][0020]式中，Ra表示碎片床开始熔化后，熔池瑞利数；g表示重力加速度；β表示熔池热膨胀系数；q
v
表示碎片床衰变热功率密度；h表示S2步骤中计算获得的碎片床熔池高度；α表示熔融物的热扩散系数；ν表示熔融物的运动粘度；λ表示熔融物的导热系数。
[0021]进一步地，步骤S4中，熔池内传热特征尺度通过熔池特征参数努塞尔数Nu获得，具体如下：
[0022][0023][0024]式中，h
upper
表示熔池上部混合区高度；h
lower
表示熔池底部分层区高度；Nu
up
表示熔池向上传热努塞尔数；Nu
dn
表示熔池向下传热努塞尔数。
[0025]进一步地，步骤S5中，根据熔池不同传热区域的能量守恒方程推导获得熔池传热速度，计算熔池向上、向下以及局部传热速度，具体如下：
[0026]v
up
＝αNu
up
/h
‑
α/h
upper
(4)
[0027]v
dn
＝αNu
dn
/h
‑
α/h
lower
(5)
[0028]v
dn,local
＝v
dn
(Nu
dn,local
/Nu
dn
)(6)
[0029]式中，v
up
表示熔池向上的传热速度；v
dn
表示熔池向下传热速度；v
dn,local
表示熔池向下局部传热速度；Nu
dn,local
表示熔池向下局部传热努塞尔数。
[0030]进一步地，依据步骤S1中碎片床区域网格存储的液体分数来判断网格所处区域为固体区、相变糊状区还是液相区，并对相变糊状区传热速度进行修正来描述相变过程对传热的影响；同时，依据步骤S1中碎片床区域网格中所存储的温度梯度分量的正负来判断传热速度分量的方向，从而获得每个网格x，y，z方向的传热速度，具体如下：
[0031][0032][0033][0034]式中，u
i
表示网格i的x方向传热速度；v
i
表示网格i的y方向传热速度；w
i
表示网格i的z方向传热速度；f
l,i
表示网格i的液体分数；gradT
i,x
表示网格i的温度梯度在x方向的分量；gradT
i,y
表示网格i的温度梯度在y方向的分量；gradT
i,z
表示网格i的温度梯度在z方向的分量。
[0035]进一步地，步骤S7中，将传热速度替代能量守恒方程对流项中的速度，并采用步骤S1中碎片床区域网格中所存储的温度梯度分量来计算显式对流项，作为由于熔池自然对流所传递给边界的热量，具体如下：
[0036]q
i,con
＝
‑
ρ
i
c
p,i
(u
i
gradT
i,x
+v
i
gradT
i,y
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、求解焓守恒方程，计算碎片床区域网格的液体分数和温度梯度向量，并将其存储在相应的网格中；S2、计算碎片床熔化形成熔池的几何尺寸，获得碎片床熔池高度和宽度；S3、计算碎片床熔化区域的熔池特征参数；S4、计算熔池内传热特征尺度；S5、计算碎片床区域网格所处液相区的传热速度；S6、计算网格传热速度分量及糊状区传热速度；S7、计算显式对流项，作为由于熔池自然对流所传递给边界的热量；S8、显式对流项均匀去除，实现整个碎片床熔池内的能量守恒关系；S9、计算能量守恒方程修正后的源项；S10、迭代计算能量守恒方程，从而得到最新温度分布及液体分数分布，完成单位时间步长内碎片床熔化过程计算。2.根据权利要求1所述的一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法，其特征在于：步骤S2中，依据每个碎片床区域网格的液体分数，来计算碎片床熔化区域的几何参数；通过遍历液体分数大于0的网格，获得网格横纵坐标的最大值和最小值便能计算获得碎片床当前熔化区域的高度和宽度。3.根据权利要求1所述的一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法，其特征在于：步骤S3中，依据S2步骤中获得的碎片床熔池高度，计算熔池特征参数，熔池特征参数包括熔池瑞利数Ra和努塞尔数Nu，瑞利数Ra的计算如公式(1)所示，计算努塞尔数Nu时，采用熔池实验所获得的传热关联式；式中，Ra表示碎片床开始熔化后，熔池瑞利数；g表示重力加速度；β表示熔池热膨胀系数；q
v
表示碎片床衰变热功率密度；h表示S2步骤中计算获得的碎片床熔池高度；α表示熔融物的热扩散系数；ν表示熔融物的运动粘度；λ表示熔融物的导热系数。4.根据权利要求1所述的一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法，其特征在于：步骤S4中，熔池内传热特征尺度通过熔池特征参数努塞尔数Nu获得，具体如下：具体如下：式中，h
upper
表示熔池上部混合区高度；h
lower
表示熔池底部分层区高度；Nu
up
表示熔池向上传热努塞尔数；Nu
dn
表示熔池向下传热努塞尔数。5.根据权利要求1所述的一种基于传热速度的碎片床熔化简化计算方法，其特征在于：步骤S5中，根据熔池不同传热区域的能量守恒方程推导获得熔池传热速度，计算熔池向上、向下以及局部传热速度，具体如下：
v
up
＝αNu
up
/h
‑
α/h
upper
(4)v
dn
＝αNu
dn
/h
‑
α/h
lower
(5)v
dn,local
＝v
dn
(Nu
dn,local
/Nu
dn
)(6)式中，v
up
表示熔池向上的传热速度；v
dn
表示熔池向下传热速度；v
dn,local
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕超，李根，王进仕，严俊杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：