子通道分析方法調(diào)研報告-全文預(yù)覽
【正文】 導(dǎo)熱模型來計算溫度分布和壁面、管道、棒和燃料棒的熱流密度。VIPRE01在堆芯分析中的限制是堆芯入口流體狀態(tài)需要其它系統(tǒng)分析程序給出。VIPRE01是有限容積三維反應(yīng)堆堆芯或其它類似結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)子通道分析程序。[7]清華大學(xué)工程物理系傅鋼等人開發(fā)的CASTA1，是水堆全堆芯和子通道兩流體瞬態(tài)分析程序。[1]下文將列舉一些國內(nèi)研究人員針對特定堆型開發(fā)的子通道程序，另外詳細(xì)介紹兩個水堆通用的子通道程序VIPRE和COBRA。這些程序的水力模型基本相似，物理模型中最大的不確定性是子通道間的相互作用。另外也應(yīng)發(fā)展數(shù)學(xué)處理方面的計算方法。5. 計算的快速收斂問題。3. 為了簡化計算，常將燃料組件局部位置上定位件對冷卻劑交混的貢獻(xiàn)沿流道全長均勻化，這將影響到冷卻劑的焓值。其次，在第一步分析中，各個組件在堆芯入口處壓力不相同，使壓降的起算基準(zhǔn)不同以及計算物性參數(shù)時較復(fù)雜。以計算結(jié)果和實驗結(jié)果相符，有一些方面可以進(jìn)行探討：1. 初始條件和邊界條件。主要方面列舉如下：（1） 忽略了子通道內(nèi)的速度和溫度的精細(xì)分布（即采用集總參數(shù)法）。等體積模型認(rèn)為兩股發(fā)生交混的流體是等體積的。大多數(shù)子通道程序所用的交混模型都是根據(jù)均勻理論。因此橫向動量平衡方程的最一般形式應(yīng)為：式中，Ｒｖ為與軸向流速有關(guān)的慣性項；Ｒｕ和Ｒｗ是水平方向的橫向流的加速和減速效應(yīng)；為橫向流流過間隙的摩擦阻力效應(yīng)。上述公式由于忽略了軸向流速的影響，是不恰當(dāng)?shù)?。這幾項在各子通道程序中基本相同，而最后一項（橫向流引起的動量遷移）則因程序不同而異。第三項表示相鄰子通道湍流交混引起的焓遷移。 圖3：質(zhì)量方程控制容積 圖4：能量平衡將能量守恒原理應(yīng)用于i子通道的控制體內(nèi)（圖4），可得能量守恒方程： （2）式中，h和T分別為子通道的焓和溫度；q為單位長度的子通道加熱量（或功率）；Cij是與流體的熱導(dǎo)率有關(guān)的系數(shù)；Wij’為子通道間的湍流交混量；u’’為能量遷移的有效速度；h*為橫向流所攜帶的焓。[1] 質(zhì)量、能量和軸向動量守恒方程將質(zhì)量守恒原理應(yīng)用于i子通道的控制體內(nèi)（圖3），可得質(zhì)量守恒方程： （1）式中，Ai，i，mi分別為i子通道的流通面積、流體密度和軸向質(zhì)量流量。但由于零剪應(yīng)力線很難確定，因而很少采用這種方法。一種子通道是由聯(lián)結(jié)棒的中心線，垂直管壁的直線及管內(nèi)壁所組成。還應(yīng)由水力模擬試驗給出堆芯進(jìn)口的冷卻劑流量分布，湍流交混速率及橫流阻力系數(shù)，這樣才能使子通道分析具有可靠的精確度。在第二步劃分子通道時，也可利用燃料組件的對稱性，只需計算熱組件橫截面的1/1/4或1/8。為了解決上述矛盾，可采用三種方法。由于徑向壓力梯度引起了凈的橫向流動，而質(zhì)量交換必然伴隨著動量和熱量的交換。湍流作用使開式通道間的流體產(chǎn)生相互等質(zhì)量交換，一般無凈的橫向質(zhì)量遷移，但有動量和熱量的交換，因此常稱為湍流交混，表示交換混合之意。因此計算工作量大，計算費(fèi)用高，必須借助高性能計算機(jī)進(jìn)行計算。為使計算更符合情況，發(fā)展了子通道模型。當(dāng)然，變換后的方程組比原先的更復(fù)雜。 標(biāo)準(zhǔn)的棒束熱工水力分析方法用有限差分法求解納維爾－斯托克斯方程時，邊界條件直接影響到解的性質(zhì)。[3]多孔體模型控制體的尺度要比子通道的尺度大得多。前者可以通過引入體積多孔度和表面穿透率來修正, 后者可以通過在能量方程中引入分布熱源和在動量方程中引入分布阻力來處理。圖1：子通道控制體 多孔體方法William T. Sha等人提出的多孔體方法，借助體積孔隙率、分布阻力和熱源（或熱阱）等概念來描述非均勻介質(zhì)（準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)）中的流體運(yùn)動，把堆芯的棒束結(jié)構(gòu)看成是一個具有一定孔隙的流場。流體在這樣的流道中流動，一面與周圍的燃料進(jìn)行能量和動量交換，一面通過假想邊界與相鄰?fù)ǖ肋M(jìn)行質(zhì)量、能量和動量交換?，F(xiàn)在，隨著對堆芯在各種工況下熱工水力性能的深入了解和電子計算機(jī)的普遍使用，使堆芯熱工水力的精確計算成為可能。國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)（編號：2007CB209800）課題4：超臨界水堆堆芯復(fù)雜流道中熱質(zhì)傳輸行為特征與機(jī)理（編號：2007CB209804）報告編號：子通道分析方法調(diào)研報告編寫：許志紅校合：楊燕華審核：程 旭上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院2008年1月5日22目 錄1. 核反應(yīng)堆堆芯熱工水力分析方法 3 子通道分析方法 3 多孔體方法 4 標(biāo)準(zhǔn)的棒束熱工水力分析方法 52. 子通道方法 5 子通道分析的一般原理 5 子通道的劃分和一般分析方法 7 質(zhì)量、能量和軸向動量守恒方程 8 橫向動量平衡方程 9 湍流交混效應(yīng) 10 子通道分析方法的基本缺點和限制 11 113. 子通道程序 12 針對特定的堆型開發(fā)的子通道程序 13 VIPRE01 14 COBRA序列簡介 14 COBRATF 15 COBRATF守恒方程 15 COBRATF物理模型 17 COBRATF數(shù)值方法 18 COBRATF算例分析 19參考文獻(xiàn)： 211. 核反應(yīng)堆堆芯熱工水力分析方法動力堆的性能很大程度上受熱工水力設(shè)計的限制。由于設(shè)計中重復(fù)地使用這些因子，從而使設(shè)計過于保守。子通道是棒束之間流道的自然幾何劃分，它以燃料本身和燃料棒之間的假想連線所包圍的流動面積定義為一個子通道的橫截面積（圖１）。子通道分析方法解得的流體溫度和速度等參量都是取控制體的平均值，忽略了通道內(nèi)部的精細(xì)分布。 二是改變了能量和動量傳遞。多孔體模型可以使復(fù)雜的流動傳熱過程得以簡化, 同時又保留了微分方程形式描述其流動和換熱的特點, 這是對棒束間復(fù)雜流動傳熱進(jìn)行模擬計算的有效方法之一。但是，它解得的溫度和速度等參量仍然是控制體的平均值。因此，利用這種方法有可能解出控制體或計算單元中的精細(xì)分布。它沒有考慮相鄰?fù)ǖ览鋮s劑之間的質(zhì)量、熱量和動量的交換，因此雖然比較簡單，但對于無盒組件那樣的開式通道就不合適?？梢?，用子通道模型計算既提高了熱工設(shè)計的精確度，也提高了反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性，但采用子通道模型不能像單通道模型那樣只取少數(shù)熱通道和熱點進(jìn)行計算，而是要對大量通道
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