[发明专利]一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法

说明书

本发明公开了一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，包括步骤1：建立十字螺旋燃料在不同扭转角度平面上异形截面的结构化拓扑等效划分方法，根据燃料棒的周期性扭转特点，建立合适的连续拓扑结构；步骤2：建立十字螺旋燃料棒束冷却剂通道典型单棒单元的三维几何模型，包括单根燃料棒周围的流体区域，其轴向长度为90°扭转角；步骤3：将单根燃料棒流体区域几何模型进行预处理；步骤4：对经过几何处理后的单根燃料棒流体区域进行结构化六面体网格划分；步骤5：将生成好的单根燃料棒流体区域三维结构化网格进行阵列复制与拼接，完成整个燃料组件冷却剂通道的结构网格划分。

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯热工水力分析计算领域，特别涉及一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法。

背景技术

在核反应堆运行过程中，堆芯棒束燃料组件的热工水力性能影响着反应堆的安全性和经济性。研究人员发现通过减小燃料棒直径、扩大棒束阵列尺寸以及在组件内添加扰流件产生湍流，能够显著提高功率密度和安全裕度。开发先进的燃料棒几何形状成为一个热点。十字螺旋燃料棒是一种新形式的燃料棒类型，其结构如图1和2所示。相较于传统圆形棒，十字螺旋燃料棒具有更大的换热面积，可大幅提高堆芯功率密度。同时，十字燃料棒的扭转结构能够增强冷却剂的混合，使组件内部温度分布更均匀，从而改善传热并减少局部峰值因子的影响；此外，十字螺旋燃料棒间每90度周期相接触，无需通过定位件来固定，能够有效降低压降。因此，准确得出十字螺旋燃料组件详细的热工水力特性对反应堆堆芯安全性和经济性设计至关重要。

目前多采用CFD模拟的方式计算十字螺旋燃料组件内的详细流场并进行相关热工分析。由于十字螺旋燃料棒几何结构特殊，且沿轴向方向周期性扭转，使得组件内部流动通道的几何结构复杂、形状不规则，不同扭转角度处棒束间特征尺寸相差巨大，这些结构特点给十字螺旋燃料组件冷却剂通道的网格划分带来了较大困难。

目前对十字螺旋燃料组件冷却剂通道的网格划分一般通过前处理软件自动生成四面体或多面体非结构网格。相比于结构网格，非结构网格数量巨大，且由于燃料棒与相邻燃料棒或壁面窄缝处的间隙极小，网格生成难度高；同时，由于螺旋燃料棒典型特征线尺寸跨度大，非结构网格难以捕捉大弧度、小长度的特征线，使得网格的几何还原度低，需要占用更多计算资源，且计算不容易收敛。

近年有学者提出，将冷却剂通道拆分成包含十字螺旋燃料棒的近棒区域和不包含十字螺旋燃料棒的主流区域，如图3所示，分别划分结构化网格。其中，近棒区域的结构化网格随十字螺旋棒的特征进行旋扭，而主流区域的网格为单一方向拉伸网格，不具有旋转特征。因此，近棒区域与主流区域交界面处的网格仅有可能在0°、90°等典型截面对齐，随着近棒网格的旋扭，在流体域内拼接面网格无法对齐(如图4-6所示)，数值计算过程中会引入插值误差，降低收敛性和计算精度

发明内容

针对现有十字螺旋燃料组件冷却剂通道的网格划分方法的不足，提供一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道结构化网格的划分方法，解决了非结构网格数量巨大、燃料棒与相邻燃料棒或壁面窄缝处网格难以生成，扭转体网格几何还原度低，且计算不容易收敛等问题。同时克服了分区域划分结构网格时交界面处网格节点无法对齐的问题，可在较好的还原十字螺旋燃料组件冷却剂通道几何特征的同时，灵活调整网格节点参数，控制网格数量，为十字螺旋燃料组件冷却剂通道的CFD计算提供高质量网格。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种十字螺旋燃料组件冷却剂通道的结构化网格划分方法，包括以下步骤：

步骤1：建立十字螺旋燃料在不同扭转角度平面上异形截面的结构化拓扑等效划分方法，根据燃料棒的周期性扭转特点，建立合适的连续拓扑结构；

步骤2：建立十字螺旋燃料棒束冷却剂通道典型单棒单元的三维几何模型，包括单根燃料棒周围的流体区域，其轴向长度为90°扭转角；

步骤3：将单根燃料棒流体区域几何模型进行预处理；