[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

说明书

技术领域

本发明属于反应堆安全分析技术领域，具体涉及一种反应堆棒束子通道与临界热流密度机理模型的耦合分析方法。

背景技术

在核反应堆的设计与安全分析中，临界热流密度是重要的限制性热工参数，它的大小直接影响核反应堆的安全性和经济性。临界热流密度是沸腾传热机理发生变化而使核燃料元件表面发生传热恶化时发热元件表面单位面积产生的热量，如果反应堆燃料元件表面发生沸腾临界，将会导致燃料元件表面温度过高从而造成加热壁面烧毁，放射性物质泄露，进而造成严重的反应堆运行事故，因此，准确预测临界热流密度对反应堆热工水力设计和安全分析有着十分重要的意义。

临界热流密度的预测一般有三种方式，即经验关系式、临界热流密度查询表和临界热流密度机理模型。经验关系式是通过对获得的实验数据进行整理分析，得到对临界热流密度产生影响的各种参数之间的关系，但大多数经验关系式是基于较小的数据库开发得到，针对特定的热工几何条件、流型及几何尺寸，不能轻易的扩展至适用范围以外的工况。而临界热流密度查询表可在很宽的参数范围直接查表并通过插值的方法得到相应参数下的临界热流密度，但其只适用于单一流体，且外推到查询表提供的参数范围之外(例如高流速和高过冷度)时预测精度下降，数据表格的形式也使其不便于更新。相比较而言，采用机理模型对临界热流密度进行预测可以避免使用大量的实验数据拟合公式，降低对数据的依赖性，并能够适用于不同的流型和流体工质，各国研究者已经开发了多种预测临界热流密度的机理模型，根据流型不同可粗略分为偏离核态沸腾型和干涸型。

目前，针对反应堆棒束子通道，临界热流密度的预测基本采用经验关系式以及临界热流密度查询表，因此有必要设计一种反应堆棒束子通道与临界热流密度机理模型的耦合分析方法，以降低对数据的依赖性，并能够适用于不同的流型及流体工质。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供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，可避免使用大量的实验数据拟合公式，降低对数据的依赖性，并能够适用于不同的流型和流体工质。

为了达到上述目的，本发明的采用如下技术方案：

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，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，通过棒束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，采用棒束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。

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。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：