[发明专利]棒束子通道与临界热流密度机理模型的耦合分析方法

权利要求书

1.一种棒束子通道与临界热流密度机理模型的耦合分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：确定棒束子通道几何尺寸，给定边界条件即进口温度、进口流量、出口压力以及平均热流密度q_o，同时设置轴向和径向功率因子，采用子通道分析方法计算流道内两相瞬态流场，以此获得各个流通通道中的局部热工水力参数，包括压力、流量及焓值，从而为临界热流密度机理模型提供耦合参数；

步骤2：当步骤1中计算所得棒束子通道内热工水力参数达到稳态时，寻找最热通道，判断临界热流密度发生类型，若为偏离泡核沸腾型则调用偏离泡核沸腾型临界热流密度机理模型，通过该机理模型计算得到最热通道的临界热流密度q_CHF；若为干涸型则调用干涸型临界热流密度机理模型，采用该机理模型计算得到最热通道出口的液膜厚度α_f，在压水堆核动力装置稳态热工设计中，通常为偏离泡核沸腾型临界热流密度；

步骤3：针对偏离泡核沸腾型临界热流密度，比较临界沸腾发生点处燃料棒表面局部热流密度q_M与步骤2中通过计算得到的临界热流密度q_CHF，若q_M大于q_CHF，则减小步骤1中平均热流密度q_o，若q_M小于q_CHF，则增加q_o，采用变化后的平均热流密度重复步骤1和步骤2的过程，若二者相同，则得到所求工况下的临界热流密度q_CHF；针对干涸型临界热流密度，比较步骤2中最热通道出口液膜厚度α_f与设定的极小值δ，若α_f大于δ，则增大步骤1中初设的平均热流密度q_o，并重复步骤1和步骤2的过程，直到α_f小于δ，此时所求工况下的临界热流密度即为最热通道出口局部热流密度q_M。

2.根据权利要求1所述的一种棒束子通道与临界热流密度机理模型的耦合分析方法，其特征在于：

步骤1中所述的子通道分析方法以棒束间冷却剂通道为主控制体进行求解，而步骤2中所述的临界热流密度机理模型是以单个燃料棒棒为中心划分控制体，两者的网格存在交错，需要将子通道分析方法计算得到的热工水力参数转换到临界热流密度机理模型控制体上。

3.根据权利要求1所述的一种棒束子通道与临界热流密度机理模型的耦合分析方法，其特征在于：所述步骤1中，考虑到子通道分析方法中控制体划分方式和临界热流密度机理模型不同，子通道中的热工水力参数需进行相应的转换才能传递到临界热流密度机理模型的控制体中；采取的方式是：临界热流密度机理模型的控制体中热工水力参数由与其毗邻的子通道中的参数加权平均得到。

4.根据权利要求1所述的一种棒束子通道与临界热流密度机理模型的耦合分析方法，其特征在于：所述步骤2中，针对偏离泡核沸腾型临界热流密度，考虑到燃料棒沿轴向功率分布不均匀，临界不一定发生在出口，因此沿轴向每一个控制体都将调用偏离泡核沸腾型临界热流密度机理模型；针对干涸型临界热流密度机理模型，需事先判断环状流发生条件，矩形通道内搅拌流向环状流转变时，汽相的表观速度需满足如下条件：

式中：

J_g——汽相表观速度/m·s^-1；

σ——表面张力/N·m^-1；

g——重力加速度/m·s^-2；

Δρ——汽液相密度差/kg·m^-3；

ρ_g——汽相密度/kg·m^-3；

μ_f——液相动力粘度/Pa·s；

ρ_f——液相密度/kg·m^-3；

则环状流的初始含汽率可由表观速度求得：

式中：

x_ann——环状流初始含汽率；

G——质量流速/kg·m^-2·s^-1；

通过判断子通道轴向控制体中含汽率是否达到x_ann，决定是否调用干涸型临界热流密度机理模型进行计算。

5.根据权利要求1所述的一种棒束子通道与临界热流密度机理模型的耦合分析方法，其特征在于：所述步骤3中，调用临界热流密度机理模型计算，判断最热通道中是否会发生临界热流密度，若不满足条件则返回到步骤1中修改初设的通道平均热流密度，并重复步骤1和步骤2的过程，在这个过程中，每一次改变通道平均热流密度，将会给子通道内热工水力参数的计算带来扰动，因此采取的方法是：每次在改变步骤1中通道平均热流密度后，先由子通道子通道分析方法计算流道内瞬态流场，经过若干个时间步长的计算，当所得子通道内热工水力参数达到稳态时才开始进行后续的临界热流密度计算。