[发明专利]一种应用于聚变堆包层的核热流固耦合分析方法

说明书

一种应用于聚变堆包层的核热流固耦合分析方法，首先对包层结构进行处理，构造分离几何模型和整体几何模型；针对分离几何模型建立元素质量比均匀的栅元作为核反应分析计算域，建立流固耦合热工水力网格作为热工水力分析计算域；针对整体几何模型建立支撑结构机械应力网格作为机械应力分析计算域；核反应分析为热工水力分析提供体积均匀热源，热工水力分析为核反应分析提供体积平均温度，二者相互迭代收敛后，将热工水力分析获得的包层温度分布及压力分布传递给机械应力分析作为温度及压力载荷，进行机械应力分析；最终获得包层产氚、核热、屏蔽核性能与温度、压力、流量热工水力性能以及应力、应变机械性能。本发明方法可实现包层的精确性能分析。

技术领域

本发明涉及聚变堆包层性能分析技术领域，具体涉及一种包层的核热流固耦合分析方法，是一种同时考虑流动、换热、支撑、核反应对包层性能影响的分析方法。

背景技术

包层在聚变堆中承担能量转换、氚增殖及辐射屏蔽等重要功能，其中，冷却剂在大量并联管中流动带走包层内的热量，中子倍增剂用于增加中子通量以提高氚增殖剂的产氚率，结构材料为所有包层结构提供支撑。聚变中子在包层结构内与原子核反应不仅产生氚还会释放能量，作为包层内热源，需要通过冷却剂将其带出包层。包层内的温度分布是不均匀的，会产生热应力，且压力分布也会直接对包层支撑结构的应力产生影响。总而言之，包层的核性能、热工水力性能和机械性能是相互耦合的。

目前针对聚变堆包层在正常和极端工况下的性能分析研究中，进行的单一性能分析均采用了假设的边界条件，没有充分考虑流动、换热、支撑、核反应等对包层性能的综合影响。如Guangming Zhou等在一篇公开期刊文献(Guangming Zhou,Qinlan Kang,Francisco A.Hernández,et al.Thermal hydraulics activities for consolidatingHCPB breeding blanket of the European DEMO,Nuclear Fusion 60(2020)096008)中针对EU DEMO HCPB包层热工水力性能分析中，其流体与固体之间的换热采用了换热关系式(heat transfer correlation)，没有将流体域与固体域进行直接耦合，换热关系式属于经验关系式，并不会求解流体域的流动换热，无法获得精确的热工水力特性；Kecheng Jiang等在一篇公开期刊文献(Kecheng Jiang,Xuebin Ma,Xiaoman Cheng,et al.Thermal-hydraulic analysis on the whole module of water cooled ceramic breederblanket for CFETR,Fusion Engineering and Design 112(2016)81-88)中针对CFETRWCCB包层热工水力性能分析中，其核热热源采用的是径向距离的函数，由于采用了整体几何模型，没有考虑核反应分析与热工水力分析之间计算域的差别，没有交换核热热源和温度等数据；周光明在其博士论文(周光明.CFETR氦冷固态包层结构热—机械性能分析[D].中国科学技术大学，2016.)中进行的CFETR氦冷固态包层结构热-机械性能分析中，热分析中采用了Gnielinski关系式计算固体与流体的换热，核热热源采用的是径向距离的函数，由于热分析中没有考虑流体域因此机械应力分析中没有充分考虑压力变化对机械性能的影响。

这些研究中均在单一性能分析均采用了假定的边界条件，没有充分考虑流动、换热、支撑、核反应等对包层性能的综合影响，不能获得包层的精确性能，不利于包层的核性能、热工水力性能、机械性能的性能分析。

发明内容

为了克服上述现有方法存在的问题，本发明的目的是为了提出一种基于分离几何模型-整体几何模型的包层核热流固耦合分析方法，从而弥补现有分析方法未能精确分析包层核性能、热工水力性能、机械性能等的不足。

本发明采取以下技术方案达到上述目的：

一种应用于聚变堆包层的核热流固耦合分析方法，包括如下步骤：