安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法

本发明属于核反应堆安全壳事故现象计算领域，具体涉及一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法。

背景技术：

ap1000等第三代核电站的内部安全壳采用不锈钢材料，某些学者提出了在不锈钢安全壳外部设置了非能动安全壳空气冷却系统以在事故中冷却不锈钢安全壳，保持安全壳的完整性。

多节点安全壳程序已经广泛应用于事故中安全壳内隔间的热工水力计算，但无法计算不锈钢安全壳外部的非能动安全壳空气冷却系统。同时，非能动安全壳空气冷却系统的几何结构复杂，并且需要考虑金属壁面的辐射换热，利用多节点安全壳程序无法较好地模拟。因此，目前还没有较好的方法能够对非能动安全壳空气冷却系统的热工水力行为以及非能动安全壳空气冷却系统下安全壳的热工水力行为进行综合计算。

技术实现要素：

为填补上述现有技术的研究空白，本发明提供了一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法，可以快速准确地计算核电厂事故中非能动安全壳空气冷却系统的流动换热及其对事故过程中安全壳内热工水力状态的影响，对核反应堆安全壳事故现象计算具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法，包括如下步骤：

步骤1：设定计算时间步长为δτ，对安全壳内气体温度、气体压力、气体成分、安全壳壁面液膜厚度和安全壳壁面温度设置初始值；

步骤2：利用多节点安全壳程序计算事故过程中某隔间与相邻安全壳壁面的换热以及某隔间内热工水力状态，具体包括如下内容：

1)隔间与安全壳壁面之间为冷凝换热过程，基于隔间的气体温度和壁面温度计算得到时间步长结束时壁面吸收的热量和冷凝水量；

i.冷凝水量

mcd——冷凝水量；

a——壁面面积；

hcd——冷凝传热系数；

tsg——隔间气体温度；

tsw——壁面温度；

δτ——时间步长；

δh——汽化潜热；

冷凝传热系数hcd采用uchida关系式进行计算：

ρvs——蒸汽密度；

ρvg——不凝气体密度；

ii.壁面吸收的热量

qcd＝mcdδh

qcd——壁面吸收的热量；

2)更新tn+1时刻隔间内的蒸汽质量、混合气体温度、气体压力、液体质量和液体温度；

i.更新tn+1时刻隔间内蒸汽质量

mst＝mst0-mcd

式中：

mst——tn+1时刻蒸汽质量；

mst0——tn时刻蒸汽质量；

ii.更新tn+1时刻隔间内混合气体温度

式中：

tg——tn+1时刻混合气体温度；

tg0——tn时刻混合气体温度；

cv——混合气体热容；

iii.更新tn+1时刻隔间内气体压力

p——tn+1时刻气体压力；

pst——tn+1时刻蒸汽分压，由蒸汽质量、气相体积和气体温度计算得到；

nmn——tn+1时刻不凝气体摩尔数；

rg——气体常数；

vg——tn+1时刻气体体积；

iv.更新tn+1时刻隔间内液体质量

mw＝mw0+mcd

式中：

mw——tn+1时刻液体质量；

mw0——tn时刻液体质量；

v.更新tn+1时刻隔间内液体温度

式中：

hw——tn+1时刻液体比焓；

hw0——tn时刻液体比焓；

hcd——冷凝水比焓；

已知更新后tn+1时刻隔间内气体压力和液体比焓即利用插值法求出更新后液体的温度；

步骤3：判断是否计算到最后一个隔间，若是，则到步骤5；否则，到步骤4；

步骤4：计算安全壳壁面的冷凝水传递过程，并对下一个隔间进行步骤2计算，具体包括如下内容：

1)计算第i号安全壳壁面的冷凝水以液膜的形式流入下部壁面的质量；

mout＝min+mcd

式中：

mout——离开壁面的液膜质量；

min——流入壁面的液膜质量；

2)若第i号安全壳壁面上部无壁面，则min为0；否则min为第i-1号壁面的mout值；若第i号安全壳壁面无下部壁面，则冷凝水以液膜形式流入水池；

3)对下一个隔间进行步骤2计算，隔间计算顺序为从上往下进行计算。

步骤5：利用计算流体力学软件cfx计算非能动安全壳空气冷却系统流动换热，具体包括如下内容：

1)利用网格生成软件icemcfd对非能动安全壳空气冷却系统进行建模，将非能动安全壳空气冷却系统几何模型及网格模型导入计算流体力学软件cfx中；

2)将非能动安全壳空气冷却系统的进口压力设置为大气压力，进口温度设置为环境温度；

3)基于各个安全壳壁面温度及进口压力、进口温度计算得到非能动安全壳空气冷却系统的自然循环空气流速以及各部分的空气温度；

4)基于非能动安全壳空气冷却系统的自然循环空气流速以及空气温度计算安全壳外壁面与非能动安全壳空气冷却系统内空气之间的换热量；

步骤6：计算及传递各部分安全壳壁面温度，具体包括如下内容：

1)计算得到各部分安全壳壁面的净吸热量：

δq＝q1-q2

式中：

δq——壁面的净吸热量；

q1——壁面从隔间吸收的热量；

q2——壁面向非能动安全壳空气冷却系统散失的热量，若该部分壁面未与非能动安全壳空气冷却系统换热，该项为0；

2)更新tn+1时刻各部分安全壳壁面的温度：

tw——tn+1时刻某部分壁面的温度；

tw0——tn时刻某部分壁面的温度；

δτ——时间步长；

mw——某部分安全壳壁面质量；

cpw——某部分安全壳壁面的定压比热容；

步骤7：将tn+1时刻作为新的tn时刻，重复步骤(1)至(6)，直到新的tn时刻达到指定计算时间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：1.使用多节点安全壳程序和计算流体力学软件cfx耦合计算，对大型安全壳内热工水力行为使用多节点安全壳程序计算，速度快，计算资源需求少，而对于几何结构复杂，并且需要考虑辐射换热的非能动安全壳空气冷却系统使用计算流体力学软件cfx进行三维计算，精度高；

2.能够模拟非能动安全壳空气冷却系统的运行状态，包括对安全壳壁面的冷却作用，金属壁面的辐射换热，以及复杂结构流道中的空气自然循环流动过程等；

3.能够计算事故工况下，非能动安全壳空气冷却系统对安全壳内隔间的冷却作用；

4.本方法可以对事故中安全壳内热工水力行为、非能动安全壳空气冷却系统运行过程以及安全壳与非能动安全壳空气冷却系统的作用过程进行耦合计算；

5.计算流体力学软件cfx与多节点安全壳程序相对独立，可以分开计算，易于后期耦合程序的进一步开发。

附图说明

图1为安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析计算流程图。

图2为安全壳及非能动安全壳空气冷却系统建模示意图。

具体实施方式

下面通过结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

图1为安全壳及非能动安全壳空气冷却系统建模示意图，使用计算流体力学软件cfx模拟非能动安全壳空气冷却系统，使用多节点安全壳程序模拟安全壳内热工水力行为，与非能动安全壳空气冷却系统相连的安全壳壁面温度由接口模块计算，并传递给计算流体力学软件cfx和多节点安全壳程序。

如图2所示，本发明安全壳与非能动安全壳空气冷却系统跨维度耦合分析方法，包括如下步骤：

步骤1：设定计算时间步长为δτ，对安全壳内气体温度、气体压力、气体成分、安全壳壁面液膜厚度和安全壳壁面温度设置初始值；

步骤2：图1中安全壳有12个隔间，利用多节点安全壳程序计算事故过程中某个隔间与相邻安全壳壁面的换热以及某隔间内热工水力状态，具体包括如下内容：

1)隔间与安全壳壁面之间为冷凝换热过程，基于隔间的气体温度和壁面温度计算得到时间步长结束时壁面吸收的热量和冷凝水量；

i.冷凝水量

mcd——冷凝水量；

a——壁面面积；

hcd——冷凝传热系数；

tsg——隔间气体温度；

tsw——壁面温度；

δτ——时间步长；

δh——汽化潜热；

冷凝传热系数hcd采用uchida关系式进行计算：

ρvs——蒸汽密度；

ρvg——不凝气体密度；

ii.壁面吸收的热量

qcd＝mcdδh

qcd——壁面吸收的热量；

2)更新tn+1时刻隔间内的蒸汽质量、混合气体温度、气体压力、液体质量和液体温度；

i.更新tn+1时刻隔间内蒸汽质量

mst＝mst0-mcd

式中：

mst——tn+1时刻蒸汽质量；

mst0——tn时刻蒸汽质量；

ii.更新tn+1时刻隔间内混合气体温度

式中：

tg——tn+1时刻混合气体温度；

tg0——tn时刻混合气体温度；

cv——混合气体热容；

iii.更新tn+1时刻隔间内气体压力

p——tn+1时刻气体压力；

pst——tn+1时刻蒸汽分压，由蒸汽质量、气相体积和气体温度计算得到；

nmn——tn+1时刻不凝气体摩尔数；

rg——气体常数；

vg——tn+1时刻气体体积；

iv.更新tn+1时刻隔间内液体质量

mw＝mw0+mcd

式中：

mw——tn+1时刻液体质量；

mw0——tn时刻液体质量；

v.更新tn+1时刻隔间内液体温度

式中：

hw——tn+1时刻液体比焓；

hw0——tn时刻液体比焓；

hcd——冷凝水比焓；

已知更新后tn+1时刻隔间内气体压力和液体比焓即利用插值法求出更新后液体的温度；

步骤3：判断是否计算到最后一个隔间，若是，则到步骤5；否则，到步骤4；

步骤4：计算安全壳壁面的冷凝水传递过程，并对下一个隔间进行步骤2计算，具体包括如下内容：

1)计算第i号安全壳壁面的冷凝水以液膜的形式流入下部壁面的质量；

mout＝min+mcd

式中：

mout——离开壁面的液膜质量；

min——流入壁面的液膜质量；

2)若第i号安全壳壁面上部无壁面，则min为0；否则min为第i-1号壁面的mout值；若第i号安全壳壁面无下部壁面，则冷凝水以液膜形式流入水池；

3)对下一个隔间进行步骤2计算，隔间计算顺序为从上往下进行计算。对于图1的安全壳，隔间计算顺序为由1号隔间，2号隔间依次计算至12号隔间。

步骤5：利用计算流体力学软件cfx计算非能动安全壳空气冷却系统流动换热，具体包括如下内容：

1)利用网格生成软件icemcfd对非能动安全壳空气冷却系统进行建模，将非能动安全壳空气冷却系统几何模型及网格模型导入计算流体力学软件cfx中；

2)将非能动安全壳空气冷却系统的进口压力设置为大气压力，进口温度设置为环境温度；

3)基于各个安全壳壁面温度及进口压力、进口温度计算得到非能动安全壳空气冷却系统的自然循环空气流速以及各部分的空气温度；

4)基于非能动安全壳空气冷却系统的自然循环空气流速以及空气温度计算安全壳外壁面与非能动安全壳空气冷却系统内空气之间的换热量；

步骤6：通过接口模块计算及传递各部分安全壳壁面温度，具体包括如下内容：

1)计算得到各部分安全壳壁面的净吸热量：

δq＝q1-q2

式中：

δq——壁面的净吸热量；

q1——壁面从隔间吸收的热量；

q2——壁面向非能动安全壳空气冷却系统散失的热量，若该部分壁面未与非能动安全壳空气冷却系统换热，该项为0；

2)更新tn+1时刻各部分安全壳壁面的温度：

tw——tn+1时刻某部分壁面的温度；

tw0——tn时刻某部分壁面的温度；

δτ——时间步长；

mw——某部分安全壳壁面质量；

cpw——某部分安全壳壁面的定压比热容；

步骤7：将tn+1时刻作为新的tn时刻，重复步骤(1)至(6)，直到新的tn时刻达到指定计算时间。

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。