[发明专利]一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法

说明书

本发明公开了一种基于浮动网格的核‑热‑力多物理耦合计算方法，包括建立燃料棒几何模型，进行核‑热‑力多物理迭代计算流程，开展平面传热计算、平面力学计算和平面中子输运计算和进行轴向一维中子扩散计算。本发明基于可以变形的浮动网格耦合求解中子学、热工水力、机械力学问题，模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的热传导、机械变形、中子输运、核素燃耗等行为，同时获取燃料棒的温度、应力、变形、棒内压力、中子群通量、功率、燃耗、同位素密度等多物理状态。

技术领域

本发明属于核电数值模拟技术领域，特别是涉及模拟燃料棒在反应堆内多物理耦合状态的技术。

背景技术

核燃料棒在反应堆内极端条件(高温、高压、强辐照)下产生的物理现象和物理过程十分复杂。尽管如此，在现象学研究的基础上，根据对燃料棒行为、现象的研究和理解，可以把燃料棒的多物理问题归结为传热问题、力学问题、中子学问题以及化学腐蚀问题。其中，由于化学腐蚀的变化非常缓慢，数值模拟比较困难，暂不考虑。传热问题研究冷却剂和燃料棒的温度分布，力学问题研究芯块和包壳的变形和应力分布，中子学问题研究中子通量密度分布、功率分布和燃耗分布。这三个问题虽然分属不同的学科领域，但相互之间存在不可忽略的耦合效应。其耦合关系主要表现为：燃料棒的轴向功率分布影响流道内冷却剂的纵向温度分布，进而影响燃料棒内部的平面温度分布；温度场的变化影响热膨胀等变形效应，并改变应力场；温度、应力、几何位置的变化又使材料物性发生改变，反馈到物理方程中，导致中子通量密度分布、功率分布随之改变；最后，由于燃料棒的功率分布发生了变化，再度影响温度分布。这三个问题的解，也就是温度、位移、应力应变和中子通量密度，共同主导了燃料棒的基本物理状态和变化规律。它们互为因果，相互影响，共同构成了燃料棒多物理耦合问题。

在传统反应堆设计中，不会同时考虑完整的多物理耦合，而是通过一些假设，使热传导问题、力学问题和中子学问题部分脱耦然后分别计算求解。计算工具包括热工水力设计程序、燃料性能分析程序和中子物理计算程序等，它们之间不产生即时、双向的信息交换。于是，复杂的多物理耦合问题就被分解为几个较简单的独立问题，求解所需的计算量大大减少。在计算资源较贫乏的年代，这种学科之间相互独立的反应堆设计方法的确具有重要意义。但同时也注意到，单一设计程序的结果并不能完全反映堆内复杂的多物理状态，计算量的减少来源于反应堆物理模型的简化、计算精度的降低。为了保证程序的计算结果保守，最终要以牺牲核电厂的经济性为代价。随着计算机技术的发展，计算能力的提高，利用多物理耦合技术来研究反应堆中复杂现象的条件也越来越成熟。

本发明涉及一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法，该方法为燃料棒模型建立可以变形的浮动网格，基于该网格耦合求解中子学、热工水力、机械力学问题，模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的热传导、机械变形、中子输运、核素燃耗等行为，同时获取燃料棒的温度、应力、变形、棒内压力、中子群通量、功率、燃耗、同位素密度等多物理状态。

发明内容

本发明的目的是为燃料棒性能分析提供一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法，该方法为燃料棒模型建立可以变形的浮动网格，基于该网格耦合求解中子学、热工水力、机械力学问题，模拟燃料棒在反应堆内极端环境下的热传导、机械变形、中子输运、核素燃耗等行为，同时获取燃料棒的温度、应力、变形、棒内压力、中子群通量、功率、燃耗、同位素密度等多物理状态。其方法如下：

建立燃料棒几何模型：先在燃料棒轴向上划分为若干层离散结构，其中每一层再在水平方向上分别划分为独立的二维有限元网格；

进行核-热-力多物理迭代计算流程：从轴向冷却剂温度计算开始，根据能量守恒原则，由进口冷却剂温度和燃料线功率密度计算得到所述轴向冷却剂温度分布，再通过壁面流体对流传热计算得到包壳外表面轴向温度分布，作为平面传热计算中将作为边界条件使用；