子通道分析方法调研报告

1国家重点基础研究发展计划(973)（编号：2007CB209800）课题4：超临界水堆堆芯复杂流道中热质传输行为特征与机理（编号：2007CB209804）报告编号：子通道分析方法调研报告编写：许志红校合：杨燕华审核：程旭上海交通大学核科学与工程学院2008年1月5日2目录1.核反应堆堆芯热工水力分析方法..........................................................................31.1子通道分析方法..............................................................................................31.2多孔体方法......................................................................................................41.3标准的棒束热工水力分析方法......................................................................52.子通道方法..............................................................................................................52.1子通道分析的一般原理..................................................................................52.2子通道的划分和一般分析方法......................................................................72.3质量、能量和轴向动量守恒方程..................................................................82.4横向动量平衡方程........................................................................................102.5湍流交混效应................................................................................................112.6子通道分析方法的基本缺点和限制............................................................122.7子通道分析方法一些问题的探讨.................................................................123.子通道程序............................................................................................................133.1针对特定的堆型开发的子通道程序............................................................143.2VIPRE-01........................................................................................................143.3COBRA序列简介..........................................................................................153.3COBRA-TF.....................................................................................................163.3.1COBRA-TF守恒方程..........................................................................163.3.3COBRA-TF物理模型..........................................................................183.3.4COBRA-TF数值方法..........................................................................193.3.5COBRA-TF算例分析..........................................................................20参考文献：.................................................................................................................2131.核反应堆堆芯热工水力分析方法动力堆的性能很大程度上受热工-水力设计的限制。为了提高堆芯的热工-水力性能，要求堆芯的热工-水力分析尽可能精确地计算出堆芯各子通道内的压力、流量和焓分布，从而使对水堆设计造成重大限制的烧毁比和出口含汽量的计算更为精确。在压水堆的早期设计中，堆芯的热工-水力设计都是在名义条件下进行，并把所得到的结果再迭加上极端条件下的热管因子和累积状态下的不确定性。由于设计中重复地使用这些因子，从而使设计过于保守。现在，随着对堆芯在各种工况下热工-水力性能的深入了解和电子计算机的普遍使用，使堆芯热工-水力的精确计算成为可能。[1]堆芯热工水力的分析方法主要有子通道分析方法、多孔体方法、标准的棒束热工水力分析方法。[2]1.1子通道分析方法目前工程设计和安全分析使用的堆芯分析程序几乎都是子通道分析方法编制的。子通道是棒束之间流道的自然几何划分，它以燃料本身和燃料棒之间的假想连线所包围的流动面积定义为一个子通道的横截面积（图１）。流体在这样的流道中流动，一面与周围的燃料进行能量和动量交换，一面通过假想边界与相邻通道进行质量、能量和动量交换。子通道方法有两个很重要的假设：（1）假设流体沿通道轴向流动速度远大于横流速度，横流流量一旦离开间隙就会汇入轴向流动（主流方向）而失去横流的方向性。因此，可以将轴向动量和横向动量分离开进行处理；（2）假定相邻通道之间的一切交换是通过湍流横流和转向横流进行的，以简化动量微分方程。4子通道分析方法解得的流体温度和速度等参量都是取控制体的平均值，忽略了通道内部的精细分布。图1：子通道控制体1.2多孔体方法WilliamT.Sha等人提出的多孔体方法，借助体积孔隙率、分布阻力和热源（或热阱）等概念来描述非均匀介质（准连续介质）中的流体运动，把堆芯的棒束结构看成是一个具有一定孔隙的流场。多孔体模型把流体流动空间的障碍物引入被计算单元中,用多孔度、穿透率及分布阻力和分布热源等参数来考虑障碍物对流体在该微元中流动的影响,分别以质量守恒、动量守恒和能量守恒的形式给出。在流体区域中,固体的存在一是减小了流动面积,从而影响到流速及其相关量;二是改变了能量和动量传递。前者可以通过引入体积多孔度和表面穿透率来修正,后者可以通过在能量方程中引入分布热源和在动量方程中引入分布阻力来处理。准连续区域的计算,实际上就是用多孔体取代实际区域中含有的固体进行计算的。计算模型采用均一化方法,在计算模型中把实际区域中各处的固体和流体,按相同的体积多孔度,相同的表面穿透率,和在界面上具有相同的能量和动量传递来处理。多孔体模型可以使复杂的流动传热过程得以简化,同时又保留了微分方程形式描述其流动和换热的特点,这是对棒束间复杂流动传热进行模拟计算的有效方法之一。[3]多孔体模型控制体的尺度要比子通道的尺度大得多。多孔体方法的适用范围较广，不像子通道分析那样只限于棒束几何条件。多孔体公式也没有子通道分析5方法中对横向动量方程的近似处理。但是，它解得的温度和速度等参量仍然是控制体的平均值。1.3标准的棒束热工水力分析方法用有限差分法求解纳维尔－斯托克斯方程时，边界条件直接影响到解的性质。对于棒束这样复杂的几何条件，很难用有限差分形式准确地表示弯曲的边界条件。“标准的棒束热工水力分析方法”方法利用边界拟合坐标将一个复杂的棒束几何体系变换成一个矩形坐标网络体系（图２）这样，它内部的燃料棒被变换成窄条、平板或方块，原来弯曲的边界变成与坐标方向完全一致的边界，边界上的格点准确地落在差分网络的格点上，这就有可能达到准确的求解。因此，利用这种方法有可能解出控制体或计算单元中的精细分布。当然，变换后的方程组比原先的更复杂。为了得到精细的分布，计算网络的划分也比前两种方法细得多，计算量将大大增加，目前不可能被工程实际所接受。[3]图2：边界拟合坐标方法2.子通道方法2.1子通道分析的一般原理单通道模型是把所以计算的通道看作是孤立的、封闭的，在整个堆芯高度上6与其它通道之间没有质量、动量和能量交换。它没有考虑相邻通道冷却剂之间的质量、热量和动量的交换，因此虽然比较简单，但对于无盒组件那样的开式通道就不合适。为使计算更符合情况，发展了子通道模型。子通道模型考虑到相邻通道冷却剂之间在流动过程中存在着横向的质量、热量和动量的交换（通常统称为横向交混），因此各冷却剂的质量流速将沿轴向不断发生变化，使热通道内冷却剂焓和温度比没有考虑横向交混时要低，燃料元件表面和中心温度也随之略有降低。对大型压水堆，在热工参数一定的情况下，把用子通道模型计算的结果与用单通道模型计算的结果相比较，燃料元件表面的MDNBR值约增加5％～10％。可见，用子通道模型计算既提高了热工设计的精确度，也提高了反应堆的经济性，但采用子通道模型不能像单通道模型那样只取少数热通道和热点进行计算，而是要对大量通道进行分析。因此计算工作量大，计算费用高，必须借助高性能计算机进行计算。相邻通道间冷却剂的横向交混是由于流体流动时相同通道间流体的湍流作用及径向压力梯度所引起。湍流交混可分为自然湍流交混和强迫湍流交混。自然湍流交混是相邻通道间的自然涡流扩散所造成；强迫湍流交混是定位格架等机械装置所引起。湍流作用使开式通道间的流体产生相互等质量交换，一般无净的横向质量迁移，但有动量和热量的交换，因此常称为湍流交混，表示交换混合之意。径向压力梯度起因于通道进口处压力分布的差异，功率分布的不同，以及燃料元件棒偏心、弯曲等尺寸形状的误差、压力梯度的存在，造成了定向净横流。这种横流有时也称为转向横流。因为这是单向流动，而不是交换和交混，所以也称它为横流混合。由于径向压力梯度引起了净的横向流动，而质量交换必然伴随着动量和热量的交换。在应用子通道模型进行分析计算之前，首先需要把整个堆芯划分成若干个子通道。子通道的划分完全是人为的，可以把几个燃料组件看作一个子通道，也可把一个燃料组件内的几根燃料元件棒所包围的冷却剂通道作为一个子通道，不论所划分的子通道的横截面积有多大，在同一轴向位置上冷却剂的压力、温度、流速和热物性都认为是一样的。所以，如果子通道横截面划分得太大，则因在同一轴向位置上所有热工参数都认为是一样的，这样可能与时间情况差别较大，结果7使计算精度不理想；如果子通道横截面积划分得太小，则计算的工作量太大，因为计算时间几乎与子通道数目的平方成正比，计算机容量可能也难以满足要求，计算费用也太高。为了解决上述矛盾，可采用三种方法。一般情况下，这三种方法同时结合应用：1．