[发明专利]核动力系统一回路稳压器内不凝结气体浓度场的计算方法

权利要求书

1.一种核动力系统一回路稳压器内不凝结气体浓度场的计算方法，其特征在于：将稳压器作为重点关注对象，采用一维-三维跨尺度耦合对核动力系统一回路不凝结气体扩散进行计算分析，得到稳压器内的不凝结气体浓度场；

该方法包括如下步骤：

步骤1：采用具备不凝结气体模型的一维核动力系统分析程序对核动力系统一回路进行建模得到核动力系统一回路模型，该核动力系统一回路模型包括压力容器、冷腿、热腿、蒸汽发生器、稳压器波动管和稳压器喷淋管线，不包括稳压器筒体部分，并设定初始不凝结气体浓度；

步骤2：采用三维建模软件DesignModeler对稳压器进行建模并进行网格划分，导入计算流体力学软件FLUENT进行计算模型设置，实施初始化计算，获得稳定的气相液相分布，具体步骤如下：

步骤2-1：采用三维建模软件DesignModeler对稳压器进行建模得到稳压器三维模型，稳压器模型包括筒体、电加热区域、波动管嘴、喷淋管嘴和卸压管嘴，并进行流体域的抽取，获得稳压器流体域几何模型；

步骤2-2：采用ICEM CFD软件对稳压器流体域几何模型进行网格划分，并分别对筒体壁面、波动管嘴、喷淋管嘴和卸压管嘴的边界命名，然后生成msh格式网格文件；

步骤2-3：将网格文件导入FLUENT，启用FLUENT的组分输运模型和混合物多相流模型，设置液相流体组分与气相流体组分，液相流体的组分为液态水与溶解的不凝结气体，气相流体组分为水蒸气与不凝结气体，并设置相间相互作用传质模型；

具体地，对于液相与气相中的不凝结气体，两者的相间相互作用传质模型基于组分质量输运方程及亨利定律模型：

其中：

——流体相p的组分j至流体相q组分i的质量输运源项，kg/m³；

α_q——流体相q的体积份额；

ρ_q——流体相q的密度，kg/m³；

——流体相q的速度，m/s；

——流体相q中的组分i质量份额；

k_pq——流体相q与p之间的传质系数，m/s；

A_i——相间组分界面面积，m²；

Cⁱ_q,e——流体相q中的组分i平衡浓度，kg/m³；

Cⁱ_q——流体相q中的组分i浓度，kg/m³；

H——对应压力温度下的亨利系数，kg/m³·Pa；

——气相中不凝结气体的分压，Pa；

对于液态水与水蒸气，两者的相间相互作用传质模型基于蒸发冷凝传质方程：

其中：

α_v，α_l——气相、液相体积份额；

ρ_v，ρ_l——气相、液相密度，kg/m³；

——液相速度，m/s；

m_lv，m_vl——蒸发、冷凝质量源项，kg/m³；

K——传质系数，m³/s；

T_v，T_l——气相、液相温度，K；

T_sat——饱和温度，K；

在电加热区域添加功率源项：

其中：

S——功率密度源项，W/m³；

S_m——最高功率密度，W/m³；

P——压力，Pa；

P_off——加热器关闭压力，Pa；

P_on——加热器启动压力，Pa；

L——液位，m；

L_off——加热器关闭液位，m；

根据喷头的喷淋特性，采用FLUENT用户自定义函数接口设置喷淋管嘴的喷淋边界条件，包括流量密度分布、喷淋液流动方向、喷淋液总流量、温度；

步骤2-4：对网格分区标记，初始化液相区域与气相区域的分布，液相区域与气相区域的不凝结气体份额均设置为零，实施瞬态计算，当流场、液位参数达到稳定后，稳压器的初始工况计算完成；

步骤3：通过区域分离法对一维核动力系统分析程序与FLUENT进行耦合，核动力系统一回路模型的稳压器喷淋管线出口与稳压器模型的喷淋管嘴为一个交界面，核动力系统一回路模型的稳压器波动管出口与稳压器模型的波动管嘴为一个交界面，以一维核动力系统分析程序进行第一个时间步长的计算，提供喷淋管嘴瞬态边界条件给FLUENT，包括进口温度、流量与不凝结气体浓度；

步骤4：FLUENT接收来自一维核动力系统分析程序的边界条件，对稳压器空间内三维流场进行计算，当FLUENT各个物理变量的残差均小于10^-3时，完成当前时间步的计算，并将稳压器波动管嘴与喷淋管嘴的边界条件传递给一维核动力系统分析程序，进行下一个时间步的计算；

步骤5：重复步骤3、步骤4，直至完成全时段的计算，获得所需运行工况下稳压器内不凝结气体浓度场。