一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法

1.本发明涉及核动力系统热工水力安全分析技术领域，特别涉及一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法。


背景技术：

2.核燃料通常以棒束的形式安装在反应堆堆芯。在气液两相流中，棒束子通道内空泡份额呈现复杂的分布模式，对流动传热特性具有显著影响。
3.目前核能热工水力分析程序(如子通道分析程序)以棒束子通道为最小单元建模，认为在单个子通道内流动参数均匀分布，难以考虑子通道内精细空泡份额分布对流动的影响。气液两相流的空泡份额分布受界面力的主导，在流动充分发展状态下会呈现出确定的分布模式。不同流道的尺寸和几何效应会影响流道内流速分布以及湍动能分布，影响气泡界面力，进而影响空泡份额的分布模式。
4.虽然传统计算流体力学(cfd)方法可以实现基于气泡界面力平衡以预测棒束子通道内两相流相分布，但是该方法计算量大，计算时间长，无法满足核动力系统安全分析程序快速计算的要求。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法，为一维核能安全分析程序提供子通道内精细的空泡份额分布信息。
6.为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法，包括以下步骤：
8.步骤1：对流道横截面划分网格，将流道横截面离散成若干网格区域，根据流道平均轴向流速《jf》、预设的空泡份额分布α1和总粘性μ
t
，利用数值求解方法，求解下列微分方程，得到液相的轴向速度分布u：
[0009][0010]
上式的边界条件为：
[0011]
(1)棒束表面为无滑移壁面边界，u＝0m/s；
[0012]
(2)非棒束边界为对称边界，
[0013]
式中，ρ为液相密度，g为重力加速度，α1：为空泡份额，p为压差；
[0014]
调整压差p，直到计算所得平均液相流速等于流道平均轴向流速《jf》；
[0015]
步骤2：根据液相的轴向速度分布u和预设的空泡份额分布α1，计算湍动能分布tke，湍动能包括由于剪切导致的湍动能和气泡导致的湍动能两项；
[0016]
步骤3：根据液相速度分布u、湍动能分布tke，计算气泡径向不同界面力，包括气泡升力f
l
、壁面润滑力fw和湍流分散力f
t
；
[0017]
步骤4：根据气泡升力f
l
、壁面润滑力fw和湍流分散力f
t
相互平衡，确定空泡份额分布α2；
[0018]
步骤5：判断步骤4中计算得到的空泡份额分布α2和步骤1中预设的空泡份额分布α1之间的差异是否超过阈值ε，若未超过，输出α2为该工况下的空泡份额分布，完成计算；若超过，则对α1进行修正：
[0019]
α3＝α1+k(α
2-α1)
[0020]
α1＝α3[0021]
并返回步骤1重新计算，直到迭代收敛。
[0022]
进一步的，步骤1中预设空泡份额分布α1为均匀分布。
[0023]
进一步的，步骤1中总粘性可分为液相的物性粘性μ
l
、液相剪切湍流导致的涡粘性μ
t
和气泡湍流导致的涡粘性μb。
[0024]
进一步的，步骤4中，对于充分发展状态下的两相流，径向的界面力保持平衡，即f
l
+fw+f
t
＝0，界面力保持平衡即可确定唯一的径向上的空泡份额分布α2。
[0025]
进一步的，步骤5中阈值ε《0.005。
[0026]
进一步的，步骤5中系数k《1。
[0027]
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
[0028]
本发明一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法，为一维核能安全分析程序提供子通道内精细的空泡份额分布信息，该方法计算量小，计算时间短，能够满足核动力系统安全分析程序快速计算的要求。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
[0030]
图1是本发明一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法的流程示意图；
[0031]
图2是本发明一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法中棒束子通道边界设置以及网格划分示意图；
[0032]
图3是本发明一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法中计算得到的空泡份额分布示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
如图1所示，本实施例公开了一种棒束子通道内气液两相流空泡份额分布快速计算方法，包括以下步骤：
[0035]
步骤1：对流道横截面划分网格，将流道横截面离散成若干网格区域，如图2所示。根据流道平均轴向流速《jf》、预设的空泡份额分布α1和总粘性μ
t
，利用数值求解方法，求解下列微分方程，得到液相的轴向速度分布u：
[0036][0037]
上式的边界条件为：(1)棒束表面为无滑移壁面边界，u＝0m/s；(2)非棒束边界为对称边界，预设空泡份额分布α1为均匀分布。
[0038]
式中，ρ为液相密度，g为重力加速度，α1：为空泡份额，p为压差；
[0039]
调整压差p，直到计算所得平均液相流速等于流道平均轴向流速《jf》；
[0040]
进一步的，步骤1中总粘性可分为液相的物性粘性μ
l
、液相剪切湍流导致的涡粘性μ
t
和气泡湍流导致的涡粘性μb，μ
t
和μb使用相应的模型计算。
[0041]
步骤2：根据液相的轴向速度分布u和预设的空泡份额分布α1，计算湍动能分布tke，湍动能包括由于剪切导致的湍动能和气泡导致的湍动能两项；
[0042]
步骤3：根据液相速度分布u、湍动能分布tke，计算气泡径向不同界面力，包括气泡升力f
l
、壁面润滑力fw和湍流分散力f
t
；
[0043]
步骤4：根据气泡升力f
l
、壁面润滑力fw和湍流分散力f
t
相互平衡，确定空泡份额分布α2；
[0044]
步骤5：判断步骤4中计算得到的空泡份额分布α2和步骤1中预设的空泡份额分布α1之间的差异是否小于阈值ε＝0.005，若未超过，输出α2为该工况下的空泡份额分布，完成计算；若超过，则对α1进行修正：
[0045]
α3＝α1+k(α
2-α1)
[0046]
α1＝α3[0047]
并返回步骤1重新计算，直到迭代收敛。
[0048]
进一步的，步骤4中，对于充分发展状态下的两相流，径向的界面力保持平衡，即f
l
+fw+f
t
＝0，界面力保持平衡即可确定唯一的径向上的空泡份额分布α2。
[0049]
进一步的，步骤5中系数k《1。本实施例中，修正过程中的松弛因子k＝0.5。
[0050]
图3给出计算得到的空泡份额分布结果，计算得到显著的空泡份额壁面峰值分布。
[0051]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。