(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111494007.X (22)申请日 2021.12.08 (71)申请人 东北电力大 学 地址 132012 吉林省吉林市船 营区长春路 169号 (72)发明人 孙建闯　蔡伟华　李智明　张文超　 李伟超　侯延栋　杜立鹏　 (74)专利代理 机构 吉林市达利专利事务所 22102 代理人 陈传林 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 用于分析核动力装置非能动特性的自适应 多尺度耦合方法 (57)摘要 本发明是一种用于分析核动力装置非能动 特性的自适应多尺度耦合方法， 包括： 建立自然 循环式非能动安全系统、 初始流速优化、 最小流 速限值标准、 设计交互参数自适应收敛判据、 构 建自适应收敛标准函数。 采用自然循环系统的驱 动压头和总阻力压降间的定量关系优化初始流 速； 提出单相条件下的初始流速最小限值； 将一 维和三维程序的交互参数的极差作为三维程序 计算是否达到稳定或接近稳定态的判据， 并基于 耦合流速构建极差的收敛标准函数。 根据一维和 三维程序的交互流速对收敛标准进行自适应更 新， 实现耦 合程序收敛至精确值。 具有科学合理， 自适应能力强， 应用价值高等优点。 特别适用于 分析堆芯等复杂热源的自然循环系统的流动和 换热特性。 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 CN 114201870 A 2022.03.18 CN 114201870 A 1.一种用于分析核动力装置非能动特性的自适应多尺度耦合方法， 其特征是， 它包括 以下步骤： 1)建立自然循环式非能动安全系统 的第一管路、 第 二管路和第三管路的一维流动阻力 与换热计算程序和堆芯的三维流动与换 热计算程序； 2)设初速流速为vi， 并将vi作为三维计算程序的入口流速边界条件， 采用三维程序计算 堆芯的压降ΔP和出口温度Tout； 3)计算三维程序得到的出口温度Tout的收敛标准Tcr和压降ΔPre的收敛标准ΔPcr， 将三 维程序计算的堆芯出口温度Tout和堆芯压降ΔPre的极差作为参数收敛判据， 具体为| Tout,n+I‑Tout,I|＜Tcr且|ΔPre,n+I‑ΔPre.I|＜ΔPcr， I为三维程序迭代步， n为间隔迭步数， Tcr 和ΔPcr为收敛标准； 4)当出口温度Tout和压降ΔPre的极差分别小于收敛标准Tcr和ΔPcr， 将三维程序计算的 出口温度Tout和压降ΔPre传递给一维计算 程序， 并计算驱动压 头ΔPd和总阻力压降ΔPz； 5)当ΔPd≤ΔPz/2时， 对初始流速vi进行优化， 根据驱动压头ΔPd和总阻力压降ΔPz的 大小， 对初始流速vi进行优化， 具体优化方法为： 对于两相工况计算， 当|(ΔPd‑ΔPz)/(ΔPd+ΔPz)|＜0.5时， vi＝vi[1+(ΔPd‑ΔPz)/(Δ Pd+ΔPz)]； 当|(ΔPd‑ΔPz)/(ΔPd+ΔPz)|≥0.5时， vi＝0.5vi； 对于单相工况计算， 采用流速限值vi,min限定初始流速最小取值， 根据热平衡关系式Q＝ ρ vAcp,aveΔT， Q为堆芯功率， ρ 为堆芯入口密度， A为流通面积， cp,ave为堆芯平均定压比容， Δ T为堆芯进出口温差， 采用运行压力下的饱和温度Tsat减去堆芯入口温度Tin获得最大温差项 ΔT， 基于最大温差项ΔT， 获得初始流速的最小值表达 式vi,min＝Q/[ρ Acp,ave(Tsat‑Tin)]， 并 返回步骤3)， 当ΔPd＞ΔPz/2， 根据式vi+1＝vi[1+(ΔPd‑ΔPz)/(ΔPd+ΔPz)]， 获得更新后的 流速vi+1； 6)根据流速vi和vi+1更新步骤4)中的收敛标准， 具体为Tcr＝εt|vi+1‑vi|/max(vi+1,vi)， ΔPcr＝ εp|vi+1‑vi|/max(vi+1,vi)， εt和 εp为常数， i为 数据交互次数， max()为取最 大值函数， Tcr和ΔPcr根据一维和三维程序的交互流速对收敛标准进行自适应更新， 实现耦合程序收 敛至精确值； 7)将更新后的流速vi+1传递给三维计算程序， 并转到步骤3)， 直至vi与vi+1相同， 完成一 维程序和三维程序的自适应多尺度耦合。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114201870 A 2用于分析 核动力装 置非能动特性的 自适应多尺度耦合 方法 技术领域 [0001]本发明涉及核反应堆热工水力数值计算领域， 是一种用于分析核动力装置非能动 特性的自适应多尺度耦合方法， 特别适用于核反应堆等复杂热源在自然循环条件下的流动 和换热特性的定量分析。 背景技术 [0002]随着核电技术的不断发展， 以自然循环为主的先进非能动安全技术应用于小型 堆， 用来提升小型堆的安全性能。 因此， 研究基于自然循环式的非能动安全系统的流动和传 热特性对核动力系统的安全设计至 关重要。 本领域针对自然循环系统流动和传热特性的研 究主要采用基于集总参数法的一维分析程序， 该程序具有计算流速快、 参数调节灵活等优 点。 然而， 对于具有复杂结构的热源如反应堆堆芯和列管式换热器， 其内部存在显著的三 维 流动特征， 如二次流、 涡流等。 因此， 采用传统一维分析程序无法模拟其内部复杂的三维流 场。 同时， 如果仅采用三 维程序对整个自然循环系统模拟则需要庞大的网格量， 时间成本极 高。 因此， 本发明结合一 维用户程序和三 维程序软件的优点， 开 发了一维用户程序和三 维程 序的自适应耦合计算方法， 实现了对具有复杂结构热源的非能动安全系统的快速和准确模 拟， 可为研究人员提供极具价 值的研究工具。 [0003]在现有的文献中， 针对一维程序和三维程序自适应耦合的研究很少， 其中张银星 等提出一维用户程序和三维程序STAR ‑CCM+的多尺度耦合方法(张银星,高璞珍,何晓强, 等.STAR‑CCM+与一维用户程序耦合方法[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(11):1669 ‑ 1674.)。 该方法讲述了一维用户程序和三维程序STAR ‑CCM+的数据交互方法。 该方法通过 STAR‑CCM+预设固定迭代步数， 使其计算参数稳定， 然后与一维用户程序进行数据交互。 然 而， 实际应用中发现， 当固定迭代步数选取过大时， 会导致耦合收敛的时间显著增加。 当固 定迭代步数选取过小时， 交互参数未达到稳态或接近稳态， 数据 交互会导致耦合程序计算 发散。 此外， 该方法中对一 维用户程序初始流速的设置具有较高的要求， 仅当初始 流速与实 际工况下自然循环 流速稳定值的偏 差较小时， 耦合计算才能收敛。 综上分析可知， 采用固定 迭代步的一 维和三维多尺度耦合方法具有自适应差、 初始流速影响耦合程序的收敛能力和 依赖实验经验的不足。 发明内容 [0004]鉴于现有技术基于固定迭代步的一维和三维程序耦合方法的局限性， 本发明的目 的是， 提出一种科学合理， 自适应能力强， 应用价值高的用于 分析核动力装置非能动特性的 自适应多尺度耦合方法， 本发明的方法能够实现任意初始流速下一 维和三维耦合程序的快 速、 准确收敛， 同时也能够用于计算分析含其 他复杂热源的自然循环系统流动和传热 特性。 [0005]实现本发明目的采用的技术方案是， 一种用于分析核动力装置非能动特性的自适 应多尺度耦合方法， 其特 征是， 它包括以下步骤： [0006]1)建立自然循环式非能动安全系统的第一管路、 第二管路和第三管路的一维流动说　明　书 1/5 页 3 CN 114201870 A 3