一种复杂运动条件下的核动力系统多尺度热工分析方法

本发明属于热工水力数值计算与流体仿真，具体涉及一种面向复杂系统，多空间尺度并在复杂动态运动条件下运行的核动力系统的多尺度热工水力分析方法。

背景技术：

1、随着核能技术的不断发展，其应用场景正由传统的陆基静止核电站向多样化、复杂化方向拓展。在核动力舰船、海上浮动核电站、空间核反应堆以及移动式小型模块化反应堆等新型应用中，核动力系统往往运行于非静止状态，受到加速度、振动、姿态变化等因素的持续影响。这类系统在运行过程中呈现出显著的非惯性特征，其热工水力行为与传统静止工况下存在本质差异，给系统设计、安全分析与数值模拟带来了新的挑战。因此，研究非静止状态下核动力系统的多物理场耦合机理与数值模拟方法，具有重要的工程意义和科学价值。

2、在非静止环境中，核反应堆冷却剂流动不仅受到重力作用，还受到惯性力、离心力及科里奥利力等附加体力的影响，使得流动结构发生显著改变。尤其在两相流动条件下，这种影响更加复杂。气液两相之间的相对运动、气泡生成与迁移、相间动量交换等过程均对系统的传热性能产生重要影响。例如，在舰船核动力系统中，由于横摇和纵摇的存在，冷却剂在堆芯通道内的流动分布可能发生周期性变化，导致局部换热恶化甚至出现干涸现象；在空间核反应堆中，由于微重力环境的存在，气泡难以脱离加热壁面，从而显著改变沸腾换热机理。这些问题均直接关系到反应堆的安全性与可靠性。因此，建立能够准确描述非静止条件下多物理场耦合行为的建模与计算方法，已成为当前核能工程领域的重要研究方向。

3、随着我国核动力舰船、小型模块化反应堆及空间核能系统的推进，对非静止工况下热工水力问题的研究需求日益迫切。一些研究已开始关注舰船摇摆对自然循环能力的影响、非稳态工况下的安全裕度评估以及复杂运动条件下的两相流分布特性。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种复杂运动条件下的核动力系统多尺度热工分析方法，既能模拟海洋条件和装置机动等运动条件下的系统变化，对任意周期，多周期或非周期性运动下的热工水力系统进行模拟，又能通过对堆芯进行局部精细建模获取更精确的结果。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种复杂运动条件下的核动力系统多尺度热工分析方法，步骤如下：

4、步骤1：对待分析的核动力系统进行建模，通过一维两流体系统级热工水力程序的输入文件，对核电反应堆一回路、二回路系统及管网的管件进行建模；在构建计算域时，将自然循环敏感且有横向交混剧烈的堆芯区域排除，避免在强三维效应区域使用过度简化的一维假设；

5、步骤2：对堆芯进行子通道级建模，针对一维两流体系统级热工水力程序排除的堆芯区域，采用子通道程序进行建模，克服了系统级一维程序无法分辨堆芯局部流动重分配和横向热量、动量交换的技术障碍。依据燃料组件或传热管束的具体排列形式，将冷却剂流通截面划分为互联的子通道网格，并在轴向进行分段，定义相邻子通道间的横流间隙、局部阻力系数，在子通道动量守恒方程中引入横向动量交换，定义每根燃料棒的释热边界；

6、步骤3：节点三维空间定位，表观加速度与计算节点的空间位置相关，必须获取一维两流体系统级热工水力程序中网格单元的三维位置；通过解析一维两流体系统级热工水力程序的输入文件，提取管件中每个网格单元的长度、半径、节点数量以及管件间的连接关系，结合网格单元的倾斜角与水平角，确定系统网格单元在三维空间中的位置；然后，将子通道程序的局部坐标系映射到一维两流体系统级热工水力程序中对应的堆芯位置，并指定一个坐标作为核动力系统的旋转中心；

7、步骤4：进行整个核动力系统的复杂运动状态描述，根据模拟的三维运动曲线，选取两组按照时间排序的三维向量和，以及对应的缓动曲线和；将其分别转化为连续的三维空间平移和参考旋转中心的旋转函数，然后将整个热工水力系统的运动转化为本地坐标系下的等效重力加速度，并作为源项附加至一维两流体系统级热工水力程序和子通道动量守恒方程中，以模拟不同运动带来的影响；

8、步骤5：一维两流体系统级热工水力程序与子通道程序进行模拟耦合计算，利用外部通信接口构建双向通信，执行多尺度双向耦合求解；既保留一维两流体系统级热工水力程序的全回路分析能力，又引入子通道程序的堆芯局部解析能力，实现从系统尺度到组件尺度的耦合计算；

9、步骤6：计算完成后，对于系统级一维程序，可从输出结果提取并绘制质量流量、焓流量与压力参数的时间演化曲线；对于子通道程序，将质量流量、焓流量与压力参数数据转换为vtk格式后导入paraview软件中并显示为云图。

10、优选的，在步骤1中，对于核电反应堆一回路、二回路系统及管网的管件进行建模时，为了计算出每个网格单元的三维位置，需要定义各个管件的几何特征参数，所述几何特征参数包括水力等效直径、网格单元体积、网格单元长度、网格单元数量，以及表征空间方位的倾斜角与水平角。

11、优选的，在步骤3中，使用几何特征参数拓扑出系统网格单元在三维空间中的位置，具体流程如下：

12、（1）首先，一个管件内存在多个网格单元，先根据每个管件自身的长度、节点数量、倾斜角及水平角定义，计算并重建该管件内部各网格单元在该管件下的局部三维空间坐标系下的位置分布；

13、（2）随后，选取一个或多个管件作为已定位的管件；

14、（3）遍历没有定位的管件，基于管件之间以及管件与热构件的连接信息，依次对未定位管件进行整体平移，将其平移到已定位管件的对应连接位置。

15、循环执行操作（3），实现所有管件在全局同一三维空间坐标系下的拓扑定位与拼接。

16、优选的，在步骤4中，针对三维向量和进行以下处理：

17、首先引入基于b样条曲线的连续平滑算法，将离散向量转换为具备连续平滑的表示首先定义零次基函数为：

18、

19、

20、式中：

21、样条曲线的阶数；

22、为b样条曲线的参数变量；

23、为节点向量；

24、为向量的数量；

25、为节点向量中的第个节点值，用于划分参数区间并确定基函数的支撑范围。

26、对于，基函数为：

27、

28、因此，b样条曲线表示为

29、

30、利用b样条曲线的阶高阶导数平滑连续性，当时，b样条曲线的一阶导和二阶导连续；但与向量分布以及相关，所以对于进行弧长积分，构建弧长函数:

31、

32、通过反函数，建立路程占比与的映射关系，进而实现从参数到物理路程的转换：

33、

34、

35、式中：

36、为随

e变化的三维空间点，为常数；

37、为的总弧长，。

38、通过缓动曲线来调节，从而获得核动力系统随时间的位置变化函数和旋转变化函数，进获取速度和加速度：

39、

40、

41、式中：

42、和分别为和对应的b样条曲线；

43、和分别为和的弧长积分；

44、和分别为和的总弧长；

45、和为选取的缓动曲线；

46、为时刻。

47、则对于位置变化函数，有

48、

49、

50、式中：

51、分别为平移速度和平移加速度。

52、通过调整、、和，可分别生成连续空间位移函数和连续姿态旋转函数，从而描述非周期、非线性及冲击等复杂运动演化过程；为避免欧拉角表示在三维连续旋转过程中可能产生的万向节锁问题，利用李代数及其指数映射描述三维旋转，时刻的反对称矩阵为：

53、

54、

55、则旋转矩阵通过rodrigues指数映射得到：

56、

57、

58、式中：

59、为单位矩阵；

60、为的模长。

61、进而，通过对旋转矩阵求导，获取角速度和角加速度；

62、

63、

64、气液两相在非惯性系下受到的平移惯性力、角加速度引起的切向加速度、离心加速度与科氏加速度统一表达为空间加速度，并添加到动量守恒方程中：

65、

66、

67、

68、式中：

69、为网格单元的本地加速度；

70、为核动力系统在全局坐标系下的角速度；

71、为核动力系统在全局坐标系下的角加速度；

72、为网格单元位置距离旋转中心的距离；

73、为核动力系统中的流体当地速度；

74、为流体密度；

75、为压力；

76、为动力黏度；

77、为全局坐标系下的重力加速度；

78、为时刻的核动力系统本地坐标系下的等效重力加速度；

79、为核动力系统在全局坐标系下平移引起的惯性加速度项；

80、为旋转引起的切向加速度项；

81、为旋转引起的科氏加速度项；

82、为旋转引起的离心加速度项。

83、优选的，在步骤5中，所述一维两流体系统级热工水力程序和子通道程序通过读写文件的形式进行通信，在交界面上执行压力、质量流量与焓流量的双向耦合，对已有程序侵入性低，具体包括以下步骤：

84、（1）在初始化阶段，所述一维两流体系统级热工水力程序与子通道程序先进行内部初始化；

85、（2）然后通过读写文件，实现初始边界条件与耦合信息同步，并更新各自的边界条件；

86、（3）两套程序独立执行内部计算迭代，直到达下一同步时间点；

87、（4）到达同步时间点后，两套程序执行边界条件交换，所述一维两流体系统级热工水力程序将堆芯出口压力、入口质量流量和入口焓流量作为当前时间步的边界条件以文件形式保存，供所述子通道程序读取；所述子通道程序将堆芯入口压力、出口质量流量和出口焓流量作为当前时间步反馈的边界条件写入到对应文件中，供所述一维两流体系统级热工水力程序读取；

88、（5）继续进行计算，并重复步骤（3）至步骤（4），实现多尺度热工耦合计算。

89、和现有技术相比较，本发明整体有益效果如下：

90、1.本发明在动量守恒方程中引入等效重力加速度，能够计算非静止状态下的流动与传热特性，能够反映核动力系统在运动、振动及姿态变化条件下的热工水力行为；

91、2.本发明构建了系统级程序与子通道程序之间的数据交互机制，实现边界条件与关键物理量的双向传递。将系统级快速计算与局部高精度模拟相结合，在保证计算效率的同时提升关键区域的模拟精度，克服了单一尺度方法的局限性；

92、3.在实验数据有限的情况下，本发明利用b样条连续平滑算法和指数映射描述复杂运动过程，为非静止核能系统设计与安全分析提供可靠的技术手段，从而降低对高成本实验的依赖；

93、本耦合计算通过在动量守恒方程中实时计算科氏加速度、离心加速度等附加项，能够模拟在海洋条件下，摇摆、起伏、倾斜运动叠加下的系统瞬态响应与组件局部热工特性。不但可以避免传统全三维cfd模型带来的计算量，同时子通道程序可以保证对局部关键安全限制参数计算结果的精确性，如偏离核态沸腾比和燃料棒表面最高温度。克服了现有方法在海洋载荷周期性波动时的保真度缺陷，还可扩展至空间核反应堆、浮动核电站及移动式小型反应堆等多种复杂应用环境，具有良好的工程适应性和推广价值。