基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法及系统与流程

1.本发明涉及反应堆热工水力设计及安全分析领域，更具体地说，它涉及基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法及系统。


背景技术：

2.燃料组件研发的重要目标之一是提升燃料组件的热工性能，即临界热流密度(chf)。当燃料组件的chf值增加后，反应堆的经济性和安全性能得到进一步提升。为提高燃料组件临界热流密度，设计中主要对定位格架特别是搅混翼的结构进行优化改进。由于研制经费、研制时间等原因的限制，只能选择极少数的设计方案用临界热流密度实验进行评价。为了从大量的设计方案中筛选出较好的方案进行实验，需要选用恰当的评价方法进行设计方案选型。由于chf现象的发生区域广，涉及到多尺度多物理场耦合作用。而燃料组件结构的影响复杂，包括横向流动、涡旋流场和湍流增强等。当这些因素耦合作用时，燃料组件结构与热工性能的关系十分复杂。
3.为了建立燃料组件的热工性能评价方法，早期阶段主要通过设计经验和试验验证。由于现象复杂，经验和认识不足，且试验周期长、代价高和反馈少，已经难以满足自主化设计需求，也无法为燃料组件热工性能的持续优化提供足够信息。随着计算流体力学(cfd)技术的发展，基于cfd技术的燃料组件的热工性能评价方法也在发展中。cfd计算模型中包含燃料组件的结构，计算结果能反映燃料组件结构的影响。基于cfd技术开展了燃料棒束的单相流场和温场的计算分析，并提出了基于涡旋强度，横向流强度和温度均匀度等方面的评价方法，初步用于燃料组件的热工性能评价中，为格架选型提供了支撑。但由于chf现象是典型复杂两相现象，燃料组件内存在复杂的气泡的合并分裂和气液相的相互作用，单相cfd的计算结果并不能反应出气相的行为特点。近年来，两相cfd技术逐渐开始在核工业界应用，基于两相cfd结果，能够得气相的行为特征及结构对两相分布的影响。而相分布特征能够和燃料组件的热工性能直接关联。和单相cfd计算相比，两相cfd能得到更丰富的信息，不仅包括单相cfd计算所得到的液相信息，同时，也包含有气相的信息，能够得到燃料组件内气相的行为特征及结构对两相的影响。基于相分布特征的燃料组件热工性能评价方法是从包含结构影响信息的两相cfd计算结果中提取恰当的表征两相分布特性的物理量，来评价燃料组件的热工性能。燃料组件内相分布特征是在两相cfd计算结果基础上得到。
4.由于两相cfd计算的结果中包含大量参数信息，在信息基础上变量也很多，如何选择恰当的且尽可能少的变量来反映出燃料组件内相分布特征，并能够应用于燃料组件的热工性能评价是需要解决的重要问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法及系统，大大提升拓展了现有燃料组件热工性能评价因素，快速实现新型燃料组件两相热工性能评价，大大减少了试验的需求，增加了选型的成功率，该方法可应用到
核反应堆高热工性能燃料组件研发中。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.第一方面，提供了基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法，包括以下步骤：
8.对燃料组件进行两相cfd计算分析，得到燃料组件内的两相cfd计算结果；
9.依据两相cfd计算结果分别确定燃料组件内的流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子；
10.依据流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子对燃料组件的热工性能进行综合分析，得到热工性能参数。
11.进一步的，所述两相cfd计算结果的获得过程具体为：
12.建立燃料组件的结构设计模型；
13.依据计算模型标准在结构设计模型的基础上依次建立计算网格和设置计算条件后确定两相cfd计算模型；
14.依据两相cfd计算模型开展计算分析，得到燃料组件内的两相cfd计算结果。
15.进一步的，所述流线分布因子依据截面的流线分布与初始分布的比值进行确定；
16.所述两相气泡尺寸分布因子依据流场中气泡直径的均值进行确定；
17.所述空泡包覆因子依据两相局部聚集特性进行确定。
18.进一步的，所述流线分布因子的计算公式具体为：
[0019][0020]
其中，s
dc
表示流线分布因子；n表示面上流线的数量；xi,yi,zi分别表示空间上不同方向上第i个流线的分布；x0,y0,z0分别表示特征子通道在空间上不同方向的位置，即中心位置；f(xi,yi,zi,n)＝0表示流线函数。
[0021]
进一步的，所述两相气泡尺寸分布因子的计算公式具体为：
[0022][0023]
其中，db表示两相气泡尺寸分布因子；αj表示第j群气泡所占的份额；dj表示第j群气泡的直径。
[0024]
进一步的，所述空泡包覆因子的计算公式具体为：
[0025][0026]
其中，f
bc
表示空泡包覆因子；a表示汽泡区的面积；α
local
表示局部空泡份额；α
ave
表示通道平均空泡份额；s表示积分区域。
[0027]
进一步的，所述热工性能的综合分析过程具体为：
[0028]
依据流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子单一对比，分别得到对应因子的分析结果，并以不同分析结果的均值作为热工性能参数；
[0029]
或，依据流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子匹配相应的权重系数，结合流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子、空泡包覆因子以及相应的权重系数进行权重计算，得到热工性能参数。
[0030]
第二方面，提供了基于相分布特征的燃料组件热工性能分析系统，包括：
[0031]
分析计算模块，用于对燃料组件进行两相cfd计算分析，得到燃料组件内的两相cfd计算结果；
[0032]
因子确定模块，用于依据两相cfd计算结果分别确定燃料组件内的流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子；
[0033]
性能分析模块，用于依据流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子对燃料组件的热工性能进行综合分析，得到热工性能参数。
[0034]
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法。
[0035]
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0037]
1、本发明提供的基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法，在海量两相cfd计算结果的基础上，通过两相相分布的基本变量和组合变量，结合chf发生机理和燃料组件结构影响，建立基于相分布特征的燃料组件热工性能评价因子及方法，用于燃料组件热工性能的综合评价；提出了流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子的综合评价方法，以解决当前主要依靠试验和经验进行燃料组件选型及设计所导致的效率低，周期长和经费消耗大等问题，同时解决了两相cfd计算中模拟数据量大，难以有效选择的问题；
[0038]
2、本发明拓展了现有燃料组件热工性能评价因素，实现新型燃料组件绝热两相热工性能评价，大大减少了试验的需求，增加了选型的效率，该方法可应用到核反应堆高热工性能燃料组件研发中。
附图说明
[0039]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0040]
图1是本发明实施例中的流程图；
[0041]
图2是本发明实施例中空泡包覆因子的分析示意图；
[0042]
图3是本发明实施例中的系统框图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。
[0044]
实施例1：基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0045]
s1：对燃料组件进行两相cfd计算分析，得到燃料组件内的两相cfd计算结果；
[0046]
s2：依据两相cfd计算结果分别确定燃料组件内的流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子；
[0047]
s3：依据流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子对燃料组件的热工性能进行综合分析，得到热工性能参数，支持燃料组件选型。
[0048]
两相cfd计算结果的获得过程具体为：建立燃料组件的结构设计模型；依据计算模型标准在结构设计模型的基础上依次建立计算网格和设置计算条件后确定空气-水的两相cfd计算模型；依据两相cfd计算模型开展计算分析，得到燃料组件内的两相cfd计算结果。
[0049]
流线分布因子依据截面的流线分布与初始分布的比值进行确定，用于表征流线分布及聚集。
[0050]
流线分布因子的计算公式具体为：
[0051][0052]
其中，s
dc
表示流线分布因子；n表示面上流线的数量；xi,yi,zi分别表示空间上不同方向上第i个流线的分布；x0,y0,z0分别表示特征子通道在空间上不同方向的位置，即中心位置；f(xi,yi,zi,n)＝0表示流线函数，初始平面一般选择为流道入口。
[0053]
流线分布因子反应了燃料组件结构对流场的直接作用效果，包括横向流、涡旋流和湍流等因素。在浮力和气液相界面作用下，气泡主流运动方向朝上，且横向流动带来的迁移相对较弱，同时由于棒间通道相对狭小，具有一定尺寸的气泡在通过棒间进入相邻子通道时，会受到挤压和粘滞作用。因此，由于气相的动量能量交换主要通过子通道内迁移实现，因此，当流线分布因子越低时，燃料组件的热工性能也可能越高。
[0054]
两相气泡尺寸分布因子指流场中气泡直径的均值，反映了气泡整体界面形态。
[0055]
两相气泡尺寸分布因子的计算公式具体为：
[0056][0057]
其中，db表示两相气泡尺寸分布因子；αj表示第j群气泡所占的份额；dj表示第j群气泡的直径。
[0058]
在燃料组件中，气泡平均直径演化包括两个阶段：(1)、经过定位格架后，气泡在燃料组件的结构的影响下发生破裂，气泡平均直径降低。破裂的原因包括结构增强湍流后破裂，结构所产生的涡旋流场下导致的破裂及横向流作用下的破裂。(2)、经过一段距离后，破
裂的气泡在湍流导致的随机碰撞和尾流作用下，气泡发生合并，气泡平均直径升高。因此，气泡平均直径也能反映出燃料组件的结构影响的综合效果，且气泡平均直径越低，结构的综合效果越好。如果气泡平均直径越小，气液相相间面积越大，相间动量和能量传递量也增加，因此，气相随液相的跟随性越好，气液相之间换热更佳，同时，气泡平均直径越低，说明气泡不易聚合成大气泡。因此，从chf发生机理角度，气泡平均直径越低，燃料组件结构的影响越好，热工性能越高。
[0059]
如图2所示，空泡包覆因子表征两相局部聚集特性，用于体现加热表面附近的气泡聚集行为。
[0060]
空泡包覆因子的计算公式具体为：
[0061][0062]
其中，f
bc
表示空泡包覆因子；a表示汽泡区的面积；α
local
表示局部空泡份额；α
ave
表示通道平均空泡份额；s表示积分区域。l为汽泡层厚度。一般而言，f
bc
越高，汽泡越容易在棒周聚集，chf发生的可能性越高。
[0063]
棒周气泡由壁面生成的气泡，离开壁面的气泡和进入棒周的气泡组成。壁面附近的气泡产生受到燃料组件所导致的横向流场和湍流影响。壁面附近的剪切流场和主流中流场则由横向流动和涡旋流场所决定。因此，通过空泡包覆因子，能够综合反映出壁面附近的气泡产生情况，壁面附近的剪切流场和主流中流场情况。chf发生过程中，大量的气泡在棒束周围产生和迁移，当迁移速度低于产生速率时，棒周空泡份额将持续增加，直至棒周被气膜覆盖，棒周传热能力下降，棒表面温度飙升。因此，fbc越低，气泡越不容易在棒周聚集，燃料组件的热工性能也越好。
[0064]
作为一种可选的实施方式，热工性能的综合分析过程具体为：依据流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子单一对比，分别得到对应因子的分析结果，并以不同分析结果的均值作为热工性能参数。
[0065]
作为另一种可选的实施方式，热工性能的综合分析过程具体为：依据流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子匹配相应的权重系数，结合流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子、空泡包覆因子以及相应的权重系数进行权重计算，得到热工性能参数。
[0066]
实施例2：基于相分布特征的燃料组件热工性能分析系统，该系统用于实现实施例1中所记载的基于相分布特征的燃料组件热工性能分析方法，如图3所示，包括分析计算模块、因子确定模块和性能分析模块。
[0067]
其中，分析计算模块，用于对燃料组件进行两相cfd计算分析，得到燃料组件内的两相cfd计算结果；因子确定模块，用于依据两相cfd计算结果分别确定燃料组件内的流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子；性能分析模块，用于依据流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子对燃料组件的热工性能进行综合分析，得到热工性能参数。
[0068]
工作原理：本发明在海量两相cfd计算结果的基础上，通过两相相分布的基本变量和组合变量，结合chf发生机理和燃料组件结构影响，建立基于相分布特征的燃料组件热工性能评价因子及方法，用于燃料组件热工性能的综合评价；提出了流线分布因子、两相气泡尺寸分布因子和空泡包覆因子的综合评价方法，以解决当前主要依靠试验和经验进行燃料
组件选型及设计所导致的效率低，周期长和经费消耗大等问题，同时解决了两相cfd计算中模拟数据量大，难以有效选择的问题。
[0069]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0070]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0071]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0072]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0073]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。