一种反应堆U型管式蒸汽发生器全三维耦合模型建立方法

摘要

一种反应堆U型管式蒸汽发生器全三维耦合模型建立方法，适用于能源领域中所有涉及到的采用管壳式热交换器进行能量转换的系统。该耦合方法主要包括如下部分：1.蒸汽发生器几何模型简化；2.一二次侧几何模型建立；3.一二次侧三维计算节点划分；4.管侧(一次侧)能量源项空间离散；5.壳侧(二次侧)能量源项空间离散；6.相同坐标节点处一二次侧能量源项耦合；7.一二次侧之间与各侧内部节点上数据传递，迭代出收敛解。几何模型简化主要用于简化大量传热管数量对模型建立及数值计算带来的工作量；一二次侧计算节点划分采用完全相同划分策略；各侧能量源项通过离散流动传热方程获得；两侧能量源项数据交换在同一坐标下对应的一二次侧计算节点之间进行。

说明书

技术领域

本发明涉及对反应堆U型管式蒸汽发生器进行全三维热工耦合技术领域，具体涉及到一种反应堆U型管式蒸汽发生器全三维耦合模型建立方法。

背景技术

蒸汽发生器是核电厂一回路压力屏障与二回路动力系统的传热边界，其数目众多的传热管占据的一回路系统面积高达60％，为保证反应堆系统的安全性，必须保证其完整性。而在运行过程中，蒸汽发生器出现的由于应力腐蚀、流致振动、磨损、热疲劳等因素造成的传热管降质问题会导致其性能退化影响正常使用，严重情况下直接危害反应堆的安全性。蒸汽发生器热工水力分析是对其降质研究的基础，目前国内外已经对该问题进行了较多研究，但对于一二次侧耦合方式方面，较多使用一维或一维与三维结合使用。蒸汽发生器一次侧及二次侧冷却剂相互独立却又相互影响，对其进行全三维热工耦合方法研究对蒸汽发生器的设计与安全分析具有重要意义。

国内外研究

由于蒸汽发生器结构庞大，实验研究成本很高，因此国内外研究者首先选用数值模拟的方法对蒸汽发生器热工水力特性进行研究。自上世纪80年代起，EPRI、MHI、EDF、CEA、B&W、AECL、MIT和KAIST等机构均开发用于预测蒸汽发生器二次侧热工水力特性的三维分析程序；之后，研究者采用商用CFD软件对蒸汽发生器的二次侧热工水力参数进行研究。根据统计结果，这些研究都基于多孔介质方法，但其两相流控制方程、管内外传热、相变及流动阻力计算方法各不相同。

EPRI于1984年推出适用于UTSG和OTSG二次侧三维热工水力特性分析的CFD程序ATHOS(Analysis of the Thermal Hydraulic Of Steam generator)，该程序可求解基于多孔介质模型的均相流和三方程漂移流模型。为求解一次侧流体向二次侧流体的释热量，ATHOS中包含三维耦合传热模块并可以和二次侧求解器交替迭代求解一、二次侧传热及二次侧流场。

Chan等研究学者1986年开发了UTSG稳态、瞬态三维热工水力分析程序PORTHOS，随后MHI拓展PORTHOS程序使其适用于直流式蒸汽发生器，并对PORTHOS中的两流体六方程模型进行升级，最后将其命名为PORTHOS-MHI。此外，MHI还在该程序中添加一维的一、二次侧耦合传热模块用于在迭代过程中实时更新二次侧热源。为获得二次侧热源，在计算开始之前，需先采用其他软件求解一维的一、二次侧传热量并采用一维方式添加到一次侧计算模型中。

MIT能源实验室开发了用于轻水堆稳态、瞬态堆芯和子通道热工水力分析的三维程序THERMIT，该程序在直角坐标系内求解两相流的两流体六方程。之后Da Silva对THERMIT程序进行改进，使其可以应用于UTSG二次侧热工水力特性分析，并将其命名为THERMIT-UTSG。THERMIT-UTSG中内置用于求解二次侧热源的一、二次侧一维耦合传热模块，THERMIT-UTSG程序存在一个致命缺陷，该软件对蒸汽发生器横截面仅可划分六个网格，其中四个为冷、热侧下降段通道、一个为热侧管束、一个为冷侧管束，即管束区的求解实际上是一维的。

EDF为研究PWR和LMFBR堆芯和组件内的单相、两相流动传热特性而开发了THYC(Thermal HYdraulic Code)程序，之后推出适用于换热器流场分析的版本THYC-EXCHANGER来分析蒸汽发生器二次侧管束区两相热工水力参数。该程序采用三维均相流模型或三方程漂移流模型求解管束区的两相流动，为准确求解二次侧热源，该程序中内置一、二次侧一维耦合传热模块。

CEA开发并验证了UTSG三维热工水力特性分析程序GENEPI(法语：GENErateurProgramme Industriel)。GENEPI在求解二次侧守恒方程的同时求解一、二次侧传热方程。GENEPI可以提供蒸汽发生器设计分析所需要的宏观参数和微观参数，但其一二次侧耦合方法也并非全三维。

CRNL于1991年为AECL开发了THIRST(Thermal-Hydraulics In RecirculatingSteam generators)程序，该程序通过求解三维柱坐标系内基于多孔介质模型的均相流模型，获得蒸汽发生器稳态工况下的三维两相流动与传热特性。为求解一、二次侧传热，THIRST在每个迭代步中求解一维的一、二次侧传热方程。但是，THIRST在轴向、径向和周向方向最多可以划分40×20×20个网格，且总网格数不可超过4900，这些网格不足以对大型蒸汽发生器二次侧的热工水力特性进行准确模拟。

KAIST开发并验证了基于三流体模型的三维两相热工水力分析程序CUPID，在对CUPID进行验证之后，KAIST对CUPID进行改进、使其可用于压水堆蒸汽发生器二次侧三维两相流场分析，并将改进后的程序命名为CUPID-SG。同时由于CUPID只适用于堆芯等直通道内的两相流动，CUPID-SG不能模拟蒸汽发生器U形管弯管区域的流场，CUPID-SG也不包含一、二回路耦合传热模块。

除了以上自主开发的CFD和子通道程序之外，不少研究者还基于商用CFD软件进行二次开发并分析蒸汽发生器二次侧三维两相热工水力参数。Ferng和Chang采用CFX软件分析正常运行工况和非额定参数运行工况下(包括提高二次侧进口流量和降低二次侧进口温度)马鞍山核电站蒸汽发生器二次侧热工水力参数。Ferng基于CFX分析U形管破口工况下放射性颗粒在蒸汽发生器二次侧的扩散情况。其采用RELAP5程序计算得到的一维的一、二次侧传热量作为二次侧流体热源，实际上蒸汽发生器一、二次侧传热呈三维分布且周向、径向不均匀，无法在不影响计算精度的前提下简化为一维分布，此外，采用一维分析软件预先计算的热源分布并不能与三维的一、二次侧温度场匹配；

清华大学段日强等采用多孔介质分布阻力方法模拟包含10根传热管的钠冷快堆蒸汽发生器的三维流场，通过设置合理的分布阻力系数得到蒸汽发生器内的三维流场，在计算中忽略管内外传热及传热对流体的影响。

综上所述，国外在蒸汽发生器整体三维热工水力特性分析程序开发方面具有较好的基础，且开发出了以ATHOS和GENEPI为代表的三维商用程序，但是这些程序开发年代较早，模型和分析方法存在缺陷。国内已有研究的重点为蒸汽发生器的系统响应、旋叶式汽水分离器和波形板干燥器的汽水分离性能和压降特性，虽然科研人员尝试通过简化的方法对蒸汽发生器的管束区三维热工水力特性进行计算，但由于其方法过于粗糙，并不能用于蒸汽发生器的三维热工水力设计分析。此外国内外已有程序对于一次侧的处理较为粗糙，均采用一维或单一边界条件，未能实现蒸汽发生器一次侧及二次侧真正三维耦合，计算均未考虑一次侧流场分布对二次侧三维两相流动换热特性及气相分布份额的影响。为了提高蒸汽发生器在热工水力设计中的精度，以保证其在运行过程中的安全性和经济性，对其进行全三维热工水力耦合计算模型的建立方法进行研究十分必要。

发明内容

本发明目的是针对目前在核电蒸汽发生器领域的关于一二次侧热耦合计算方法方面存在的缺陷，提供一种反应堆U型管式蒸汽发生器全三维耦合模型建立方法，能够减小现有技术中对一次侧进行能量源项一维简化所带来的计算误差，也改变了已有程序中关于一次侧在径向及轴向划分计算节点数量的局限，实现真正意义上的三维能量耦合。

为了达到上述目的，本发明的采用如下技术方案：

一种反应堆U型管蒸汽发生器全三维耦合建模方法，步骤如下：

步骤1：根据反应堆U型管蒸汽发生器的几何特点，针对其换热区域传热管束特点对蒸汽发生器进行几何简化及几何模型的建立：

核电厂蒸汽发生器传热管数目众多如AP1000蒸汽发生器的倒U型传热管多达上万根，对如此庞大的能量交换系统进行精细化三维热工水力数值模拟给几何模型建立及节点划分过程带来巨大工作量，此外对三维蒸汽发生器几何进行精细化数值模拟对计算资源要求高。为了克服以上缺点，本发明根据U型管蒸汽发生器的管壳式结构特点提出一种合适的几何简化方案。

本发明采用多孔介质方法对其反应堆U形管蒸汽发生器的管束区域进行几何简化。对管束区域采用多孔介质方法对管束区域进行几何均匀打混处理，以最外侧管束和最内侧管束轮廓为边界建立统一完整的几何模型，特点在于该几何模型内不考虑传热管几何结构特点。因多孔介质方法需要对几何简化处理的部分定义分布阻力源项，而不同位置处U型管的长度及结构特点决定分布阻力的大小，本发明的几何简化过程中还需要根据各位置U型管的不同长度而划分为几个不同区域，主要目的是考虑不同位置阻力模型的差异对后续采用耦合换热方法对蒸汽发生器进行数值计算的结果带来的误差。

多孔介质区域划分的总个数需要具体考虑到换热器大小、由换热管的长度不同引起的能量源项的差异性以及管热管数量。本发明中对蒸汽发生器中管束区域进行分区建立均匀介质模型，以包络每个区域的最外边界为归一化的冷却剂流域边界，对每个分区分别进行归一化几何模型建立，在模型建立过程中不考虑管束的具体几何结构。最终本方法将管束区域的几何简化为于不同位置处均匀介质几何，每个区域中包含一定数目的传热管束。

本发明中针对在管板不同区域的U型传热管长度不同的特点，将传热管束简化为若干个均匀多孔介质区域，一方面能够大幅度简化几何模型，另一方面可以根据一定范围内的管束平均长度的不同给定不同的分布的阻力源项，提高对其上万根管束进行整体多孔介质简化带来的计算模型误差。

步骤2：对简化后的几何模型进行计算节点划分：

为保证反应堆U型管式蒸汽发生器管侧及壳侧冷却剂的三维流动与两侧之间的三维耦合传热功能中一二次侧能量源项数据传递的要求需求，本发明中对管侧及壳侧计算域的重合部分(管束换热区)采用完全相同的节点划分策略对一二次侧分别进行计算节点划分。由于已有节点划分技术中的非结构化节点划分过程具有很大的随机性，并不能保证管侧与壳侧划分的节点完全一致，因此本发明中计算节点的划分采用结构化计节点划分方法，该方法能够通过人为控制来保证管侧与壳侧计算域的节点划分结果的一致性。在节点划分过程中首先保证管侧与壳侧的几何结构完全一致，然后基于结构化节点划分策略对管侧及壳侧耦合区域分别进行节点划分，在节点划分过程中采用的划分流程、相同位置处的节点数、相同位置处的节点分布保持完全一致。

步骤3：管侧及壳侧能量源项的获取：

蒸汽发生器的一次侧流体为高温高压单相流动，二次侧流体为过冷液体至饱和沸腾的两相流动过程。在本发明的三维能量耦合过程中首先需要获取一次侧流体的负能量源项以及二次侧流体的正能量源项。

本发明专利中能量耦合中所需要的一次侧及二次侧的能量源项分别通过对一次侧和二次侧的N-S方程(纳维斯托克斯方程)在一次侧和二次侧的计算节点上进行区域离散，并采用已有数值传热学计算方法对一次侧和二次侧的流体流动与传热方程分别进行求解获得每个计算节点上的能量源项，这部分的理论在已有相关书籍上有详细介绍。由于一二次侧能量耦合过程尚未进行，在同一坐标位置处的一二次侧能量源项表达式中会出现该侧的未知热工参数，这将通过步骤4和步骤5中所提到的能量源项相互迭代过程最终获得。

步骤4：管侧及壳侧三维坐标重合区域数据交换方法：

为了实现蒸汽发生器一次侧管侧与二次侧壳侧之间的三维能量耦合功能，需要保证在每个计算节点上进行一次侧和二次侧的能量源项交换。一次侧管内高温流体通过，二次侧管外低温流体通过，一次侧和二次侧通过U型传热管壁面的导热进行能量交换。为了实现管侧与壳侧之间的双向能量交换，需要对该耦合换热区域的管侧及壳侧三维坐标重合区域连接节点进行处理，主要保证一次侧和二次侧的计算节点之间的空间坐标相互对应。为了保证同一坐标位置处管侧能量传递到该位置处的壳侧，将该处的一次侧与二次侧的计算节点上的能量源项在三维空间一一对应并相互连接起来。

步骤5：一次侧计算节点与周围节点之间的数据交换以及二次侧计算节点与周围节点之间的数据交换：

步骤3中获得了换热区域每个位置处的一二次侧能量源项，但该处的能量源项处于与它周围的能量源项处于不平衡状态，需要与各自周围节点进行数据交换，最终一二次侧各自达到一个热力学参数平衡状态(收敛解)即一次侧和二次侧的热物性参数均不随时间再改变。此处仍采用步骤3中所述的分别求解一次侧和二次侧计算节点上的N-S离散方程来实现各自能量平衡。

通过步骤1-3的几何模型建立、计算节点划分、一二次侧离散能量源项求解以及步骤4和步骤5的一次侧和二次侧能量源项数据相互迭代过程，最终反应堆U型管式蒸汽发生器全三维耦合模型建立方法被建立并通过数次一二次侧内部及一次侧和二次侧之间的能量源项迭代，最终能够获得一个稳定的管侧及壳侧全三维的热工水力参数场，综上步骤即为一种适用于反应堆U型管式蒸汽发生器的三维全耦合模型的建立方法。

本发明中三维能量耦合的关键就在于以相同空间坐标下的计算节点为基础进行一次侧和二次侧的能量数据交换，而该位置处管侧及壳侧计算节点各自根据对流扩散方程与周围节点进行数据交换，当数值计算迭代一定次数之后，一次侧和二次侧给出的能量源项误差达到一定的精度时(计算收敛)数值计算结束。

本发明给出模型建立流程，具体可以按照换热器的实际情况选择最优的节点划分方式、离散格式、以及不同精度的数值求解方法。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明方法突破了现有程序或方法中普遍采用的一维耦合或一维与三维耦合技术，能够实现全三维管壳侧能量源项的耦合。

2、能够有效提高大型管束蒸汽发生器一次侧三维流场对二次侧动力转换计算结果在三维空间上的精确性。

3、本发明方法不限制与管内外流体类型以及状态，该耦合方法能够推广到大型管壳式换热器，该耦合方法的通用性较广。

4、模型独立，方法创新，可根据计算精度要求选择不同计算程序、不同的空间离散方法以及不同类型的求解器。

5、能够简化对蒸汽发生器众多传热管进行一一建模带来的巨大工作量；

首先本发明在几何模型建立过程中整体思路是独立的，可以根据不同类型换热器的尺寸及功率特点来制定特有的几何模型简化方案。本发明提出的模型简化方法能够大量简化几何建模过程以及后续的计算节点划分过程，同时在保证模型计算精度的前提下大大地节省计算资源。通过对管束区域的一次侧及二次侧计算域重合部分采用同一套节点划分策略来保证一次侧和二次侧的能量交换在三维空间上的一一对应关系。通过对蒸汽发生器管侧及壳侧能量源项的分别求解各自N-S方程进行求解，然后通过三维空间对应的节点进行能量源项交换，彼此迭代最终获得精确的数值解。该耦合模型建立方法适用于同类型不同介质的管壳式换热器设备的数值模拟。

本发明提出的一种能够对压水堆核电厂自然循环蒸汽发生器管侧及壳侧进行全三维耦合计算模型的建立方法。该方法主要适用于核电厂自然循环蒸汽发生器传热管三维热力学耦合计算模型的建立，但该发明中提出的思想同样适用于设计为管壳式能量转换设备。本方法主要针对管壳式换热器的三维热耦合计算模型建立过程中管壳侧能量交换问题。通过原型几何的简化以及管壳侧三维空间上能量源项交换与具体的蒸汽发生器尺寸参数并无关系，因此该方法同样适用于管束类型的传热管蒸汽发生器三维热耦合计算模型的建立。通过该发明方法获得的全三维热工水力耦合计算模型经过商业热工水力程序的分析，能够分别获得蒸汽发生器管侧及壳侧各热工参数的变化规律及换热器的传热性能。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为蒸汽发生器传热管分区域简化示意图。

图3为一二次侧对应节点处能量源项数据交换示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步详细描述：

首先根据图1给出的反应堆U型管式蒸汽发生器全三维热工耦合模型建立流程图，可得本发明中提出的模型建立方法主要包括如下几个部分：1.管束区几何模型的简化；2.一、二次侧多孔介质几何模型建立；3.一、二次侧三维计算节点划分；4.一、二次侧能量源项计算；5.换热耦合区域的管侧及壳侧计算节点连接点处理及一、二次侧节点之间的能量源项数据传递；6.耦合模型检查与校核。

根据图2给出的几何简化方法可以针对管束区域不同长度的U型传热管进行分类划分成层层嵌套的均匀介质的几何区域，然后采用已有成熟的几何建模软件对简化后的蒸汽发生器一次侧及二次侧分别进行建模。几何具体简化过程如下：图2中左侧给出未简化的传热管束，包含较多数量的U型传热管，可知不同位置处的传热管长度以及弯曲半径不同。靠近管束内部的传热管弯曲半径小长度较短，靠近管束外侧的传热管弯曲半径大长度较长。根据此规律将一定弯曲半径内的管束划分为同一个区域，如图2中右侧给出的示意图中所示，管束区域被分成若干个子区域分别包含一定数量长度接近的传热管。不考虑每个区域内传热管的具体几何结构，将每个区域均看作均匀介质，对其进行几何模型的建立。最终复杂的传热管束区域被简化为若干个子区域，并被采用多孔介质方法分别进行几何模型建立。

其中几何简化过程中需要注意的是由于本发明主要针对核电厂自然循环型蒸汽发生器，其传热管为倒U型，因此不同位置处的传热管长短不同进而影响了不同区域的管内流动阻力特性，对其进行区域分区简化这一步骤在当本发明应用于传热管尺寸特征相等时，可以忽略管束区域划分步骤，直接对其进行整体统一简化建模。

本发明中开发的耦合模型建立过程中，为了保证管侧与壳侧进行相同坐标下相同控制体内的能量源项交换，在一次侧与二次侧节点划分过程中采用了完全相同的网格划分策略，采用结构性节点划分方式，。最终节点划分结果如图3所示，一次侧和二次侧的节点分布以及节点数目完全一致。

一次侧和二次侧蒸汽发生器一、二次侧的能量源项通过在两侧分别对各自的能量守恒方程进行离散获得。而管侧及壳侧之间是通过传热管壁面的导热进行能量交换的，在模型建立过程中，这两部分的能量源项在三维空间的任意节点上被虚拟传热管壁分隔。在任意空间坐标上的每个计算节点处实现管侧能量与壳侧的能量进行节点与节点之间的数据传递的功能，该过程如图3所示。在管侧以及壳侧分别获得每个节点上的源项后，通过能量方程的空间离散数值求解使该节点处与周围空间节点上的数据传递。经过一次侧和二次侧之间与各自能量源项的数次迭代，最终获得一个精确的解，最后通过修正模型中计算节点划分多少提高数值计算结果精度，该功能通过根据本节思路进行计算机编程实现。

最终通过将该计算模型引入商业数值计算程序中，选择合适的初始条件、边界条件以及不同的经过优化的算法，最终能够分别获得管侧及壳侧热工水力参数三维分布情况以及一次侧和二次侧之间的能量转换分布。

至此，本专利中提到的一种适用于大型管束式蒸汽发生器管侧及壳侧全三维耦合计算模型的建立过程完成。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。