【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及核反应堆燃料循环，具体为一种球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法及系统。
技术介绍
1、球床式高温气冷堆(例如htr-pm)采用球形包覆颗粒燃料元件，通过元件的堆积形成反应堆堆芯，在运行过程中实现连续装换料。球形燃料元件在球床堆芯中的流动特性是堆芯几何设计和物理设计的基础，反应堆物理、热工以及核燃料循环等均有赖于此。燃料元件随机堆积，构成圆柱状球床，并在球床内向下流动，然后通过堆芯底部的卸料管排出，圆柱状球床下部和卸料管之间为锥形过渡段(二者直径不一样，例如htr-pm的分别为300cm、50cm)，形成堆芯下部锥体，由于该锥形段的的存在，可能导致燃料球在底部出现滞留的情况，且在底部锥体的流动会受到锥体倾斜角度，摩擦系数等因素的影响。
2、目前主要的高温气冷堆确定论计算程序(例如vsop)在进行堆芯底部锥体模拟时，将底部的锥体等效成圆柱体，采用层流阶跃的方式模拟燃料元件在堆芯内部的流动，该方法忽略了堆芯底部燃料元件流动时锥体倾斜角度和摩擦系数造成的底部滞留现象，并且人为定义的流速与燃料元件流动的实际情况相差甚远，难以模拟出真实的球流情况。
技术实现思路
1、鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术。
2、因此，本专利技术解决的技术问题是：现有技术忽略了堆芯底部燃料元件流动时锥体倾斜角度和摩擦系数造成的底部滞留现象，并且人为定义的流速与燃料元件流动的实际情况相差甚远，难以模拟出真实的球流情况。
3、为解决上述技术问题，本专利技术提供如
4、作为本专利技术所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法的一种优选方案，其中：所述堆芯圆柱体部分燃料元件流动的模拟包括，使用确定论计算程序vsop基于流体动力学模型进行模拟，表示为：
5、
6、考虑堆芯内的辐射场对流体密度的影响，引入一个辐射场强度函数反映不同位置处的辐射强度，使模型能够模拟辐射强度变化对流体动态的直接影响，表示为：
7、
8、考虑到辐射强度通常与核燃料的位置和中子通量密度有关，辐射强度在堆芯中心最强，并向外递减，表示为：
9、
10、其中，ρ表示流体密度；u表示流体的速度矢量；t表示时间；γ表示辐射调节系数；r(x,y,z)表示辐射场强度函数；r0表示辐射场强度的最大值；x表示三维坐标x轴；y表示三维坐标y轴；z表示三维坐标z轴；σ表示标准差。
11、作为本专利技术所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法的一种优选方案，其中：所述堆芯圆柱体部分燃料元件流动的模拟还包括，对于热力学传递的模拟，以能量守恒方程为基础，表示为：
12、
13、燃料元件在堆芯内的运动会因摩擦产生热量，影响能量分布，通过依赖于燃料与接触面的物理和化学特性的摩擦系数进行模拟，表示为：
14、
15、将摩擦系数设计为燃料元件和接触面材料属性的函数，表示为：
16、μ(f)＝μ0(1+αt)
17、其中，ρe表示单位体积的总能量；q表示热流矢量；s表示内部热源项；μ(f)表示摩擦系数函数；||u||2表示在摩擦热方程中由于流体速度引起的能量转换；μ0表示基础摩擦系数；α表示温度系数；t表示接触面的温度。
18、作为本专利技术所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法的一种优选方案，其中：所述球流数据包括球流速度、球流密度、温度分布、燃料元件磨损情况、流动压力、流体动力学参数、辐射场强度和化学组成变化。
19、作为本专利技术所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法的一种优选方案，其中：所述锥体燃料元件的流动模拟包括，将球流数据输入到离散元锥体模型中，根据颗粒间的力学交互和锥体对流动的影响进行模拟，根据力学第二定律控制每个颗粒的运动，表示为：
20、
21、通过递增时间步进，更新颗粒的位置和速度，设定所有颗粒的初始位置和速度，计算每个颗粒的受力，使用时间积分方法更新颗粒的速度和位置，更新公式表示为：
22、
23、x(t+δt)＝x(t)+v(t)δt
24、其中，m表示颗粒的质量；v(t)表示颗粒在时间t时的速度矢量；fgravity表示作用在颗粒上的重力；fcontact表示颗粒间接触时产生的力；ffriction表示因接触而产生的摩擦力；δt表示时间步长；x(t)表示在时间t时，颗粒在空间中的位置坐标。
25、作为本专利技术所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法的一种优选方案，其中：利用所述确定论计算程序进行锥体建模包括，从描述流体流动的基础方程navier-stokes方程出发，表示为：
26、
27、考虑到锥体的几何结构和流动特性的不同，引入一个校正项，通过流动模拟数据和校正项进行参数校正，表示为：
28、
29、其中，表示速度矢量的梯度；表示压力的梯度；表示速度矢量的梯度；f表示作用在流体上的外部力矢量；c(θ,φ)表示校正函数；θ表示锥体的倾斜角度；φ表示流动特性；α表示角度影响调节参数；β表示角度影响调节参数；δ表示流动特性梯度对流动的影响系数。
30、作为本专利技术所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法的一种优选方案，其中：所述参数校正包括，通过误差分析定量比较理论模型的输出与实验数据，绘制预测值与观测值之间的残差图，当残差图显示所有数据点相对于y＝x线的偏离不是随机分布时，表示基线流动速度影响超出阈值，若预测值80％位于y＝x线上方，则降低α值，若预测值80％位于y＝x线下方，则增加α值；当误差与角速度成正比时，表示模型不能充分捕捉由角度变化引起的效应，若角度与误差的相关系数超过阈值，则增加β的值；当误差与角速度成反比时，表示模型对角度变化的反应过度，若角度与误差的相关系数超过阈值，则降低β的值；当实际值的残差图中具有明显的尖峰，但预测值的残差图中没用对应的尖峰，则增加δ值；当预测值的残差图中具有明显的尖峰，但实际值的残差图中没用对应的尖峰，则降低δ值。
31、第二方面，本专利技术还提供了球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟系统，包括，柱体流动模拟模块，利用确定论计算程序进行堆芯圆柱体部分燃料元件的流动模拟，记录球流数据并上传到锥体流动模拟模块；锥体流动模拟模块，建立离散元锥体模型并设置锥体参数，将球流数据输入到离散元颗粒模拟程序中进行锥体元件的流动模拟，记录流动模拟数据并上传到校正建模模块；校正建模模本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述堆芯圆柱体部分燃料元件流动的模拟包括，使用确定论计算程序VSOP基于流体动力学模型进行模拟，表示为：
3.如权利要求2所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述堆芯圆柱体部分燃料元件流动的模拟还包括，对于热力学传递的模拟，以能量守恒方程为基础，表示为：
4.如权利要求3所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述球流数据包括球流速度、球流密度、温度分布、燃料元件磨损情况、流动压力、流体动力学参数、辐射场强度和化学组成变化。
5.如权利要求4所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述锥体燃料元件的流动模拟包括，将球流数据输入到离散元锥体模型中，根据颗粒间的力学交互和锥体对流动的影响进行模拟，根据力学第二定律控制每个颗粒的运动，表示为：
6.如权利要求5所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：利
7.如权利要求6所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述参数校正包括，通过误差分析定量比较理论模型的输出与实验数据，绘制预测值与观测值之间的残差图，当残差图显示所有数据点相对于y＝x线的偏离不是随机分布时，表示基线流动速度影响超出阈值，若预测值80％位于y＝x线上方，则降低α值，若预测值80％位于y＝x线下方，则增加α值；
8.一种采用如权利要求1～7任一所述方法的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟系统，其特征在于，包括，
9.一种计算设备，包括：存储器和处理器；
10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述堆芯圆柱体部分燃料元件流动的模拟包括，使用确定论计算程序vsop基于流体动力学模型进行模拟，表示为：
3.如权利要求2所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述堆芯圆柱体部分燃料元件流动的模拟还包括，对于热力学传递的模拟，以能量守恒方程为基础，表示为：
4.如权利要求3所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述球流数据包括球流速度、球流密度、温度分布、燃料元件磨损情况、流动压力、流体动力学参数、辐射场强度和化学组成变化。
5.如权利要求4所述的球床式气冷堆堆芯底部燃料元件流动模拟方法，其特征在于：所述锥体燃料元件的流动模拟包括，将球流数据输入到离散元锥体模型中，根据颗粒间的力学交互和锥体对流动的影响进行模拟，根据力学第二定律控制每个颗粒的...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗勇，史进，曹良志，王永平，吴宇轩，李浩涌，周勤，刘伟，刘嵩阳，李雪琳，王朗，郭若楠，
申请(专利权)人：华能核能技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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