PWR堆芯性能CFD分析技术研究

摘要

为优化反应堆堆芯设计，确保堆芯的安全与经济性，需深刻认知堆芯热工水力机理，揭示其规律，实现堆芯的有效冷却，实现堆芯的功率提升与寿期延长。目前反应堆堆芯设计采用的是系统程序、子通道程序等宏观大尺度程序，程序模型空间分辨率低，建模依赖实验关联式、半经验关联式、大安全裕量的保守性假设，难以确定不同工况下堆芯内燃料格架、搅混翼等特征结构影响下的堆芯单相、两相、旋流、湍流、流动交混、流速梯度、温度梯度等热工水力状态与规律。需通过小尺度计算获得堆芯特征结构附近的流速、压力、温度等参数分布，以用于热工水力分析，并为中子物理、化学沉积与腐蚀、辐照损伤、流致振动等堆芯多物理过程分析提供详细的热工水力数据，从而深刻认知反应堆全寿命周期内的堆芯性能状态。
　　能够捕捉堆芯小尺度几何、流动、传热特征的计算流体动力学（CFD）分析技术可以弥补大尺度热工水力分析的不足，但该技术在堆芯性能分析中存在网格分辨率要求高、网格数量大、计算时间长、多尺度多物理场边界影响显著等技术难题。为此，本文通过PWR堆芯热工水力特征的分析与利用、CFD分析规律的探索与应用，开展了堆芯CFD分析的适用性与效率研究，堆芯CFD分析实验验证方案的优化策略研究，堆芯CFD分析的高尺度热工水力应用研究，堆芯 CFD分析与其它精细化物理场间的耦合计算技术研究。
　　首先，在堆芯CFD分析的适用性与效率研究中，为比较国际范围不同堆芯CFD分析方案效率的优劣，指导CFD分析方案的设计与筛选，本文研究了堆芯CFD分析效率与CFD计算方案间的量化规律，建立了PWR堆芯CFD计算效率的量化评估方法。为提高堆芯 CFD分析的适用性，节省计算资源与时间，本文研究了不同网格型式在不同网格尺寸下对堆芯热工水力分析的适用性，建立了与搅混翼、刚凸、弹簧、光棒流域等堆芯结构特征区中热工水力过程相适应的网格空间分辨率方案；同时，本文研究了堆芯不同区域的湍流状态规律，研究了不同湍流模型在堆芯不同区域应用的适用性，建立了多湍流模型联合应用方案；此外，本文研究了堆芯复杂结构对热工水力状态的影响及规律，通过结构简化与计算修正建立了堆芯热工水力性能的简化CFD计算方案。
　　其次，在堆芯 CFD分析验证实验的优化策略研究中，为优化实验设计与实验数据的应用方法，减少或修正实验中的假设与近似对堆芯横流、湍流、流阻等热工水力特征所引入的误差，选用合适的实验棒束规模（如确定3×3、5×5等棒束的选用依据），提升验证实验对堆芯热工水力状态的适用性，本文研究了实验中流域边界、流域范围等对堆芯热工水力性能的影响与规律，建立了实验中横流、湍流、流阻等数据的使用策略，建立了基于跨间距离与搅混翼横流作用的实验棒束规模的设计策略。
　　再次，在堆芯 CFD分析的高尺度热工水力应用研究中，为提升高尺度热工水力分析的适用性与准确性，改进PWR堆芯局部区域CFD分析的边界条件，提升堆芯局部区域CFD分析的适用性。本文以子通道程序为例，通过CFD分析，研究了栅元级相邻子通道、组件内部与组件间的多栅元子通道间冷却剂的交混状态与规律，分析了传统子通道程序计算模型的适用性、准确性，并设计了子通道程序分析的优化策略。
　　最后，在堆芯 CFD分析与其它精细化物理场间的耦合计算技术研究中，为反映堆芯内部热工水力与堆芯其它物理场间的相互作用，使堆芯 CFD分析获得堆芯其它物理场的精细化数据反馈，提升堆芯热工水力CFD分析的适用性。本文以网格形状、尺寸、布置差异极大的热工水力与中子物理程序为例，研究了堆芯不同物理场精细化程序间的耦合计算技术，实现了并行计算条件下两物理场精细化程序间的网格映射与数据传递；并研究了网格划分方案、网格映射方案对精细化物理场间耦合计算分析的影响及规律，确定了耦合中网格划分与映射的设计策略。
　　以上四方面的研究有助于提升堆芯CFD分析的适用性与效率，有助于提升堆芯CFD分析的工程化应用。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 PWR堆芯性能CFD分析研究现状

1.3 本文研究目标与方案

第2章 堆芯CFD分析的适用性与效率研究

2.1堆芯特征结构的网格分辨率方案

2.2 计算效率的量化评估方案研究

2.3 湍流模型应用方案研究

2.4 堆芯CFD计算的简化方案研究

2.5 本章小节

第3章 基准实验方案的CFD分析研究

3.1 流域边界对流动特性的影响及规律

3.2 流域范围对流动特性的影响及规律

3.3 旁通流域对流动特性的影响分析

3.4 本章小节

第4章 堆芯高尺度T-H模型的CFD分析研究

4.1 堆芯高尺度T-H分析的重要性

4.2 多尺度热工水力分析模型

4.3 大流域子通道间横流交混状态研究

4.4 子通道程序横流求解模型研究

4.5 子通道间横流交混机理研究

4.6 本章小结

第5章 CFD程序的耦合计算技术研究

5.1 精细化物理场耦合技术方案研究

5.2 精细化物理场间耦合计算的实现

5.3 精细化耦合计算精度研究

5.4 本章小结

结论与展望

本文主要创新点

本文的不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录 A