子通道分析方法調(diào)研報(bào)告(已改無(wú)錯(cuò)字)
2022-09-02 04:59:26 本頁(yè)面
【正文】 ] COBRA序列簡(jiǎn)介 COBRA子通道程序由美國(guó)太平洋西北實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，已發(fā)展了多代。下面從關(guān)鍵的“橫向動(dòng)量方程”處理角度來(lái)看各代程序的演變。 COBRA－Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的橫向動(dòng)量方程只考慮壓力梯度和橫向摩擦損失的影響。認(rèn)為動(dòng)量隨時(shí)間變化小得可以忽略。所以，它不能反映快速變化過(guò)程，只能是穩(wěn)態(tài)或低速瞬態(tài)的一個(gè)近似表達(dá)式。COBRA－ⅢＣ增加了橫向動(dòng)量方程的兩個(gè)加速項(xiàng)，同時(shí)改進(jìn)了數(shù)值解法。運(yùn)用半顯式的邊值解法，使他能處理繞絲或?qū)Я髌鸬膹?qiáng)迫交混。瞬態(tài)分析能力也擴(kuò)大到可以分析部分阻塞。COBRA－Ⅳ的橫向動(dòng)量方程增加了一項(xiàng)橫向動(dòng)量通量，使模型進(jìn)一步完善。同時(shí)發(fā)展了一種新的ＡＣＥ解法，即時(shí)間顯式瞬時(shí)壓力－速度法。它沒(méi)有流向的限制，且可以接受流量或壓力邊界條件。因而能處理倒流、環(huán)流和冷卻劑噴出等復(fù)雜情況，從數(shù)值解法上為研究從噴放到再淹沒(méi)的冷卻劑喪失事故全過(guò)程提供了可能。但是COBRA－Ⅳ的動(dòng)量方程缺少兩個(gè)不同方向的橫流速度相乘積項(xiàng)，故它還是一個(gè)二維方程，不能準(zhǔn)確地描寫(xiě)復(fù)雜的三維流動(dòng)情況。COBRA－ＤＦ是COBRA－Ⅳ的一種發(fā)展。它采用的蒸汽漂移流模型是一種考慮了相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)和熱力學(xué)不平衡的兩相混合物模型。在重力起主要作用時(shí)，用它可以得到較滿(mǎn)意的結(jié)果。COBRA－ＤＦ可用于壓水堆冷卻劑喪失事故和危機(jī)堆頂噴注的研究。COBRA－ＴＦ則是采用兩流體模型，即把汽、液兩相流當(dāng)作兩種分離的流體來(lái)描寫(xiě)。由于相間彼此不完全獨(dú)立，故方程要有一個(gè)相間的相互作用項(xiàng)來(lái)反映相間的動(dòng)量、能量或質(zhì)量的耦合關(guān)系。兩流體模型的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得詳細(xì)的流暢和相分布。它的缺點(diǎn)是：①目前所用的相互作用項(xiàng)還不夠完善；②計(jì)算費(fèi)用較大。Stewart用COBRA－ＴＦ和COBRA－Ⅳ分別進(jìn)行了蒸汽發(fā)生器的熱工水力計(jì)算，結(jié)果表明：COBRA－ＴＦ所用的機(jī)時(shí)和內(nèi)存貯量是COBRA－Ⅳ的３－４倍。[4] COBRATF COBRATF是一個(gè)研究核電站系統(tǒng)中垂直部件的熱工水力特性的大型部件程序。它保留了COBRA 系列程序的特點(diǎn), 針對(duì)核電站瞬態(tài)及事故工況下各部件冷卻劑的熱工水力特性, 采取了兩相三流場(chǎng)數(shù)學(xué)物理模型。在數(shù)值計(jì)算方法上, 一方面它受計(jì)算區(qū)域的形狀及復(fù)雜物性的限制較小。 另一方面, 由于采用強(qiáng)穩(wěn)定兩步法的計(jì)算方法, 使程序的計(jì)算速度大大提高。以致在普通微機(jī)上完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯及蒸汽發(fā)生器熱工水力特性的實(shí)時(shí)仿真。下面就此程序數(shù)學(xué)物理模型的特點(diǎn)進(jìn)行分析介紹。[12] COBRATF守恒方程COBRA 系列程序大都采用了均相流模型, 由于均相流模型本身的局限性, 它很難對(duì)堆芯及蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的熱工水力過(guò)程進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。COBRATF 則采用了兩流體三流場(chǎng)模型。兩流體模型對(duì)汽液兩相分別給出守恒方程式, 并且考慮兩相之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換, 可以準(zhǔn)確地反映兩相流動(dòng)的流動(dòng)機(jī)理和流動(dòng)結(jié)構(gòu), 并可以獲得詳細(xì)的流場(chǎng)和相分布。兩流體模型的準(zhǔn)確性取決于兩相流的物理模型。三流場(chǎng)模型實(shí)際上是兩流體模型的直接擴(kuò)展。它將流動(dòng)區(qū)域分為連續(xù)汽相、連續(xù)液相和液滴相。這種將液相分為連續(xù)液相和液滴相的方法, 使得對(duì)液膜與液滴同時(shí)存在的流動(dòng)問(wèn)題的處理更為方便和真實(shí)。因?yàn)樵谶@類(lèi)流動(dòng)問(wèn)題中液膜與液滴的運(yùn)動(dòng)特性存在著很大的差異,而且液膜與液滴之間的動(dòng)量與質(zhì)量交換直接影響流場(chǎng)的流動(dòng)特性。在三流場(chǎng)模型中, 質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程對(duì)三個(gè)流場(chǎng)分別加以描述, 而在能量方程中, 認(rèn)為連續(xù)液相與液滴相處于熱力平衡狀態(tài), 因而能量方程只有兩個(gè)。兩流體模型的基本守恒方程組如下:質(zhì)量守恒方程 （１）動(dòng)量守恒方程 （２）能量守恒方程 ?。ǎ常∈街? 下標(biāo)k 分別為連續(xù)汽相( k = v) 、連續(xù)液相( k = 1) 和液滴相( k = e) 。 Γk 為其他相轉(zhuǎn)化為k 相的質(zhì)量。 168。 ▽[αk (τk + T k ) ]為粘性力和湍流力。 M k 為因質(zhì)量交換所引起的動(dòng)量交換。 M k 為相間阻力。 168。▽[αk ( Q k + q k ) ]為傳導(dǎo)熱流和湍流熱流。 Γk h k 是由質(zhì)量傳遞所引起的能量交換。 q Ik 為相間熱傳遞。經(jīng)過(guò)三流場(chǎng)模型的如下假設(shè), 可以得出三流場(chǎng)兩相流模型的守恒方程組的更為簡(jiǎn)化的形式(見(jiàn)文獻(xiàn)[13]) 。①液滴相的湍流熱流可忽略不計(jì)。 ②粘性力可分為壁面剪切力和流體間的剪切力兩部分, 在液滴相中第一部分可忽略。 ③傳導(dǎo)熱流被分為壁面熱流和流體間的傳導(dǎo)熱流兩部分, 液滴項(xiàng)流體間的傳導(dǎo)熱流可忽略。 ④相界面交換的物質(zhì)處于飽和狀態(tài)。 ⑤假設(shè)液滴項(xiàng)與連續(xù)液相處于熱力平衡狀態(tài)。由于假設(shè)兩相處于熱力平衡狀態(tài),連續(xù)液相和液滴相的能量守恒方程可以合并為一個(gè)。在一般情況下,因?yàn)檫B續(xù)液相與液滴相之間存在著大量的質(zhì)量和能量的交換,因而假設(shè)是成立的(但對(duì)于某些特殊情況,如液膜與液滴之間溫度相差太大時(shí),則需要將能量方程分開(kāi)處理) 。這種簡(jiǎn)化不僅使方程的數(shù)量減少,而且使計(jì)算時(shí)間大為減少,從而極大地降低了計(jì)算費(fèi)用。從以上關(guān)系式可以看出,兩流體三流場(chǎng)守恒方程組可以詳細(xì)地描述兩相流中汽液兩相的相互作用,并能客觀地描述其流動(dòng)特性。這是COBRA 系列中以前版本的程序所不能比擬的。 坐標(biāo)系與COBRA 以前版本的程序所不同的是: COBRATF除了采用子通道坐標(biāo)外, 還增加了直角坐標(biāo)系, 并且在兩套坐標(biāo)中均實(shí)現(xiàn)了三維計(jì)算。使用直角坐標(biāo)時(shí), 在動(dòng)量方程中增加了兩個(gè)不同方向的橫流速度的乘積。 而使用子通道坐標(biāo)時(shí), 則通過(guò)對(duì)相鄰?fù)ǖ澜孛嫔系牟煌较虻臋M向速度的動(dòng)量輸送, 很方便地實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的三維計(jì)算。而在COBRAⅣ中, 由于動(dòng)量方程中沒(méi)有不同方向橫向速度乘積這一項(xiàng)[2 ] , 因而COBRAⅣ只能是一個(gè)準(zhǔn)三維的程序。同時(shí), 在子通道坐標(biāo)中, 認(rèn)為所有的橫向流動(dòng)只發(fā)生在通道間的截面上, 因而不管橫向流動(dòng)的方向如何, 對(duì)所有的通道截面來(lái)說(shuō)動(dòng)量方程只有一個(gè)。這樣, 每一相的動(dòng)量方程由三個(gè)減少為兩個(gè), 計(jì)算費(fèi)用得到了降低。另外, 對(duì)于復(fù)雜的、不規(guī)則的外形, 子通道坐標(biāo)表現(xiàn)出極大的適應(yīng)性和靈活性。對(duì)于一些復(fù)雜的兩相流動(dòng), 用子通道坐標(biāo)處理也極為方便。因而, 子通道坐標(biāo)得到了較為廣泛的應(yīng)用。值得注意的是, 在采用長(zhǎng)方形的通道時(shí), 子通道坐標(biāo)和直角坐標(biāo)實(shí)際上是等價(jià)的。 COBRATF物理模
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