[发明专利]一种热工水力程序与安全壳程序的耦合方法

说明书

本发明公开了一种热工水力程序与安全壳程序的耦合方法，基于两流体模型并结合参与耦合程序的数值求解方法，导出求解变量的空间离散方程组，对问题区域进行求解分割，引入虚拟节点模拟耦合边界，通过设定的读写规则，在参与耦合的程序间进行信息交互，基于参与耦合程序的适用范围划分耦合区域，采用半隐式与显式方法完成热工水力程序与安全壳程序的耦合，耦合程序能同时模拟主回路与安全壳的热工水力响应。本发明能同时模拟主回路与安全壳的热工水力响应，提高了反应堆工程设计的速度与精度。

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力技术领域，具体涉及一种热工水力程序与安全壳程序的耦合方法。

背景技术

传统的核电站设计方法是分块进行的，如进行概率安全风险评价时，关心的是事故以后，安全壳内热力学平衡、堆芯熔融与再定位、碎片床成型与迁移、化学元素释放与输运等现象。这些现象的特征尺寸一般在在数米至数十米间；进行热工参数设计或基准事故分析，此时关心的是回路中流动沸腾、闪蒸、液位坍塌、临界流、压力波、跨声速流动等现象。这些现象的特征尺寸一般在数厘米至数米；如果更进一步设计燃料组件或者流动通道，此时关心的是湍流搅浑、移动边界、相界面与组分捕捉等运动机理。这些现象特征尺寸可以低至数毫米。为了应付这些不同的需求，过去数十年产生了各种不同层级的软件。通过综合应用这些程序形成的工具链，才能完成核电厂的分析设计任务。

使用这些工具链时，传统的设计方法常常将模拟对象以外的部分作为边界条件处理，得出不同部分模拟参数以后再回代修改，反复迭代，最后得到整个系统的参数。但面对越来越先进的设计方案，传统设计方法难以满足精确性与复杂性的要求。首先是系统设计进步带来的复杂度提升问题。系统之间强耦合效应让割裂迭代设计变得尤为低效；另一个问题是现有的程序难以满足设计精度的要求。现代化的设计中细节已经从系统发展到了部件级别，但传统的热工水力程序中部件不是可辨识的个体，能给出细节的CFD程序带来的计算量却难以承受。这些问题都使新一代的反应堆热工水力模拟程序必须向多场、多尺度发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种热工水力程序与安全壳程序的耦合方法，能对核电领域大部分的问题进行一次性的全范围模拟计算，能同时模拟主回路与安全壳的热工水力响应，提高了反应堆工程设计的速度与精度。

本发明采用以下技术方案：

一种热工水力程序与安全壳程序的耦合方法，基于两流体模型并结合参与耦合程序的数值求解方法，导出求解变量的空间离散方程组，对问题区域进行求解分割，引入虚拟节点模拟耦合边界，通过设定的读写规则，在参与耦合的程序间进行信息交互，基于参与耦合程序的适用范围划分耦合区域，采用半隐式与显式方法完成热工水力程序与安全壳程序的耦合，耦合程序能同时模拟主回路与安全壳的热工水力响应。

具体的，基于两流体模型分别建立气相和液相的守恒方程，选取变量V＝(α_g,P_g,P_f,u_g,u_f,E_g,E_f)^T，α_k,u_k,E_k,P_k分别为k相的平均体积份额、压力、速度、能量，将守恒方程以及补充本构关系改写为向量函数；对所有的空间微分项采取离散格式并组合能得到与微分方程相容的差分方程，使用前m节点与后n节点的信息，对于空间微分项，得到j节点的空间离散方程，确定内节点方程。

进一步的，内节点的求解方程组，具体如下：

其中，FD代表求解变量的差分方程关系，x,t分别代表空间与时间变量，C_i为求解变量的系数，是求解变量的时间微分V_i是向量变量V第i个分量，A_i是向量分量对时间导数前的系数。

进一步的，参与耦合的气相和液相的守恒方程具体为：