失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟方法及系统与流程

本发明涉及反应堆流固耦合力学领域，更具体地说，它涉及失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟方法及系统。

背景技术：

1、反应堆是反应堆系统的核心，其性能对反应堆安全起至关重要的作用。冷却剂失水事故(loss of coolant accident，即loca)就是一种管道破裂事故，发生失水事故后，冷却剂向外喷射或流失，产生喷射推力和引起压力容器内压力变化，卸压波穿过一回路冷却系统并向压力容器传播，使反应堆冷却剂系统受到很大的外载荷作用，导致堆内结构如吊篮产生振动，可能产生甩管和设备损坏的严重后果。loca动力响应分析的目的是通过对发生失水事故以后反应堆冷却系统、堆内构件可能发生的破坏情况的研究，获得堆内结构在卸压波传播过程中的水力载荷，计算出堆内结构的动态响应和动应力，从而评估反应堆的结构完整性和安全可靠性。工程设计需要一种对于该极端工况下反应堆动响应进行高保真数值模拟的方法。

2、传统方法都是基于杆梁模型来分析，模型相对简单，单元和节点数在200之内。近年来，随着计算机条件的发展，较少文献进行了精细化建模。现有技术中公开了一种失水事故下含初始压力的压力容器流固耦合模拟方法，实现了对于极端工况下反应堆流固耦合动响应高精度仿真。其思想主要包括三个阶段：首先使用star-cd cfd代码和abaqus/standard fem-code针对hdr v32试验进行建模计算，随后使用apros系统代码获得破口的压力边界条件作为两相计算，最后使用第三方mpcci耦合软件处理cfd和fem代码之间的耦合，实现流固耦合数值模拟。此外，还公开了采用ansys软件分析含初始压力的线性压力容器流固耦合模拟方法，实现了对于极端工况下反应堆流固耦合动响应高精度仿真。

3、然而，上述两篇文献公开的方法无论是采用mpcci软件还是ansys软件的，虽然可以实现基于cfd-csd耦合分析失水事故下压力容器流固动响应，但考虑的模型仅是线性反应堆系统。由于实际反应堆系统和其它流固耦合系统中常存在较多的非线性接触关系，这种情况这些方法无法真实准确模拟。真实反应堆内存在大量非线性间隙，这对cfd-csd流固耦合计算的收敛问题提出巨大挑战。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟方法及系统是我们目前急需解决的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟方法及系统，对压力容器结构部分与堆内流体区域进行了更加真实得模型建立，网格数极大增加，明显提高了工程实际中压力容器的大规模数值模拟的分析精度，可以有效得模拟含初始内压的压力容器系统loca工况，从而满足对于极端工况下压力容器动态响应的数值模拟的要求，更加适用于实际工程使用。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、第一方面，提供了失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟方法，包括以下步骤：

4、依据反应堆的结构参数建立固体区域与流体区域的几何模型，并对几何模型进行网格划分，得到固体区域与流体区域的有限元模型；

5、模拟有限元模型中至少两处存在非线性接触位置的接触关系；

6、对失水事故工况下压力容器破口的压力变化进行求解，并获取相应的水力载荷信息作为流固耦合模拟的压力边界条件；

7、对有限元模型中流体区域的流体边界条件和流固耦合交界面以及固体区域的固体边界条件和流固耦合交界面进行二次建模；

8、对二次建模后的非线性有限元模型进行初始化流体压力恒定处理，固体相应部分发生预变形，并将初始压力施加后的结果进行保存，作为下一步瞬态流固耦合的初始情况；

9、对压力初始化后的非线性有限元模型进行流固耦合计算，得到反应堆失水事故的压力容器动响应结果。

10、进一步的，所述结构参数包括压力容器的几何尺寸、材料特性、支撑形式以及堆内构件的各阶振型与频率。

11、进一步的，所述有限元模型中固体区域所对应的结构网格与流体区域所对应的流体网格的坐标位置相互匹配，且全为六面体单元。

12、进一步的，所述几何模型采用商用软件catia进行构建，有限元模型采用商用软件hypermesh进行建模；；

13、其中，固体区域的有限元模型生成为.inp文件，流体区域的有限元模型生成为.cas文件。

14、进一步的，所述非线性接触位置的接触关系采用ansys软件中的多个combin39单元进行等效模拟。

15、进一步的，所述有限元模型中的流体区域采用ansys软件中的fluent模块作为流体求解器对流体行为进行建模。

16、进一步的，所述有限元模型中的固体区域采用ansys软件中的transientstructural模块作为结构求解器对结构行为进行建模。

17、第二方面，提供了失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟系统，包括：

18、模型构建模块，用于依据反应堆的结构参数建立固体区域与流体区域的几何模型，并对几何模型进行网格划分，得到固体区域与流体区域的有限元模型；

19、接触模拟模块，用于模拟有限元模型中至少两处存在非线性接触位置的接触关系；

20、边界分析模块，用于对失水事故工况下压力容器破口的压力变化进行求解，并获取相应的水力载荷信息作为流固耦合模拟的压力边界条件；

21、二次建模模块，用于对有限元模型中流体区域的流体边界条件和流固耦合交界面以及固体区域的固体边界条件和流固耦合交界面进行二次建模；

22、压力施加模块，用于对二次建模后的非线性有限元模型进行初始化流体压力恒定处理，固体相应部分发生预变形，并将初始压力施加后的结果进行保存，作为下一步瞬态流固耦合的初始情况；

23、耦合分析模块，用于对压力初始化后的非线性有限元模型进行流固耦合计算，得到反应堆失水事故的压力容器动响应结果。

24、第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟方法。

25、第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟方法。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、1、本发明提供的失水事故下非线性反应堆系统流固耦合模拟方法，对压力容器结构部分与堆内流体区域进行了更加真实得模型建立，网格数极大增加(30万以上)，明显提高了工程实际中压力容器的大规模数值模拟的分析精度，可以有效得模拟含初始内压的压力容器系统loca工况，从而满足对于极端工况下压力容器动态响应的数值模拟的要求，更加适用于实际工程使用；

28、2、本发明针对真实反应堆内存在大量非线性间隙，采用combine39单元来考虑实际结构的接触关系，能较好的考虑几何非线性，接触等非线性因素，使得该发明方法有更广地使用范围，更好的模拟复杂结构连接的真实情况；在高保真考虑模型的情况下，又能较好考虑非线性连接因素，提高本发明对于loca模拟的准确性；

29、3、本发明采用被广泛推广使用的商用软件catia、hypermesh、ansys等，使得该发明方法更加容易被工程单位接纳并推广使用。