[发明专利]一种板状燃料堆芯亚通道级三维热工水力分析方法

说明书

本发明公开了一种板状燃料堆芯亚通道级三维热工水力分析方法，该方法主要内容如下：1、建立由通道级网格与亚网格组成的亚通道级网格；2、对生成的两类网格进行标记；3、在控制方程中附加源项、修正几何与引入湍流搅混以构建冷却剂流动换热分析模型；4、针对原固体域设置离散节点，构造燃料板热工特性数值求解模型；5、建立流固耦合传热模型。本方法通过对板状燃料全堆芯进行亚通道级网格划分，在精确计算冷却剂温度场与流场、板状燃料温度分布的基础上，简化网格规模、显著降低计算资源，同时能够捕捉冷却剂流动与换热细节，为在工程中使用数值模拟技术对板状燃料全堆芯进行热工水力特性分析提供了一种兼具效率与精度的新型研究方法。

技术领域

本发明属于板状燃料反应堆数值模拟技术领域，具体涉及到一种板状燃料堆芯亚通道级三维热工水力分析方法。

背景技术

板状燃料由于其功率密度高、燃耗较深、排布紧凑、换料周期长的特点，被广泛应用于小型堆、测试堆与一体化实验堆中。其核心结构单元为由燃料芯块、包壳与冷却剂矩形窄缝流道组成的闭式通道。在进行板状燃料反应堆正常或事故工况下的瞬态安全分析时，燃料板最高温度、包壳表面温度、冷却剂流场等热工水力参数极为重要。但由于燃料组件排布的复杂性与矩形窄缝通道数量的繁多，实现针对板状燃料反应堆全堆芯的数值模拟目前仍具有较大挑战性。

现阶段国内外针对板状燃料反应堆的热工水力分析方法主要包括以下三类：

1、一维系统分析程序——如RELAP5、MITARS、TRACE，此类程序能够构建核电厂宏观回路与各类热力构件模型，同时满足在较短时间内计算核电厂系统各处稳态参数分布与瞬态响应的要求。但该类程序使用离散的一维节点描述堆内各类系统级构件，如蒸汽发生器、稳压器、阀门、主泵，在程序中均采用单个节点表示，无法刻画构件内物理过程与参数分布。对于复杂的堆芯结构，仅使用单节点的集总值显然无法满足精细尺度下堆芯安全分析的需求。

2、子通道分析程序——如COBRA、COSINE，此类程序将堆芯划分为相邻的并联流道，并采用各类描述热工水力参数间关系的经验表达式计算子通道内冷却剂流动特性值，相比于一维系统程序能够较精确地反映堆芯各流道内部的流动换热细节，但此类程序对于瞬变工况模拟能力仍具有较大不足，且目前现有的子通道程序大多基于压水堆棒束通道进行开发，在板状燃料反应堆中应用较少。

3、计算流体力学(CFD)仿真软件——如FLUENT、CFX、STAR-CCM+，此类软件要求针对堆芯几何模型进行微尺度的网格划分，通过求解控制体质量、动量、能量守恒方程获得流场参数与温度分布。CFD仿真精度较高，结果可视化能力高，在采用恰当计算模型与方法的条件下能够捕捉冷却剂精细流动与传热现象。但同 CFD方法要求在几何建模软件中构建精细的堆芯结构，所需求的建模工作量较大；且计算速度缓慢，计算资源耗费量大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种板状燃料堆芯亚通道级三维热工水力研究方法，该方法通过全堆芯亚通道级网格划分，固体域节点温度场差分计算与流固耦合模型的建立，能够在保证计算精度的条件下，显著降低计算资源与计算时间。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种板状燃料堆芯亚通道级三维热工水力研究方法，包括如下步骤：

步骤1：建立由全堆芯通道级网格与流体域亚网格两部分组成的亚通道级网格

(1)：通过几何建模软件SOLIDWORKS建立板状燃料堆芯三维几何模型，此堆芯三维几何模型由众多相同的燃料芯块板、燃料包壳与冷却剂通道三部分组成；