堆芯热工水力多尺度耦合计算研究

摘要

堆芯热工水力计算是压水反应堆安全分析的重要部分，它有利于提高反应堆的安全性以及经济性。目前，应用于反应堆的热工水力计算程序根据建模尺度可以分为:系统程序、子通道程序和CFD程序，每种尺度的程序在模拟精度与效率上各有优势。为了在整体仿真的精度与效率间达到适当的平衡，开展多尺度耦合计算研究工作成为了必要。本文以压水堆为对象，使用商用CFD程序FLUENT对压力容器下降段及下腔室进行了精细化仿真，同时使用子通道程序COBRA-IIIC/MIT2进行了全堆芯子通道计算。最后结合下腔室与堆芯两个区域，展开了热工水力多尺度耦合计算研究。 首先，本文在精细化的CFD计算中，研究了压力容器下降环段及下腔室复杂结构的网格处理方案，使用分区计算的方法研究了湍流模型对研究对象的适用性，并以此为基础，设计了多湍流模型混合计算方案。通过与实验数据的对比分析，证明了多湍流模型耦合计算方案在压力容器结构中的适用性，并且较传统的单一模型计算方案而言，在保证足够计算精度的前提下取得了更好的经济性。 其次，本文以KONVOI压水堆为对象建立了燃料组件为单元的全堆芯子通道模型，并通过验证计算证明了该模型的合理性。在此基础上对堆芯内不同组件通道的热工水力现象进行了分析，总结了关键热工参数（压降、流量、温升等）的变化规律，为开展热工水力多尺度耦合计算研究奠定了基础。 最后，本文在分别验证了下腔室及子通道计算方案合理性的基础上，采用区域分解耦合法，利用FLUENT商用软件的二次开发功能与COBRA-IIIC/MIT2开源程序的可扩展性，编写了数据交互程序与逻辑主控程序，完成了FLUENT/COBRA隐式耦合程序的开发。通过稳态工况的耦合计算，分析了下腔室与堆芯流场的相互作用规律，通过瞬态工况的模拟，研究了耦合时间步长的敏感性以及堆芯流场对下腔室流场的瞬态响应特性，并对偏环失流工况进行了计算分析，总结了下腔室及堆芯热工参数的变化规律。 通过以上三个方面的研究，掌握了堆芯热工水力多尺度耦合计算方法，为反应堆的优化设计与安全分析提供了一定的参考价值。