(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 202111494309.7 (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 蔡伟华　孙建闯　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 用于分析自然循环系统热工水力特性的自 适应多尺度耦合方法 (57)摘要 本发明是一种用于分析自然循环系统热工 水力特性的自适应多尺度耦合方法， 其特点是， 包括建立自然循环系统、 初始流速优化、 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； 将一维和三维程序 交互参数的方差作为判断三维程序计算参数是 否达到稳定或接近稳定态的收敛标准， 并基于耦 合流速构建收方差的自适应函数； 根据一维和三 维程序的交互流速自适应调节收敛标准， 实现耦 合程序收敛至精确值。 本发明具有自适应能力 强、 高效易行和鲁棒性高等优点。 特别适用于分 析具有复杂结构热源的自然循环系统的热工水 力特性。 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 CN 114201871 A 2022.03.18 CN 114201871 A 1.一种用于分析自然循环系统热工水力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)建立自然循环系统的第一管路、 第二管路、 第三管路和第 四管路的一维流动阻力与 换热计算程序和热源的三维流动与换 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 热源的压降ΔP和出口温度Tout； 3)计算三维程序得到的出口温度Tout和压降ΔPre的收敛标准δ， 将 三维程序计算的热源 出口温度Tout和热源压降ΔPre， 根据连续n 次迭代步的历史值求方差， 并作为热源出口温度 和压降的参数 收敛判据， 具体为 且 I为三维程序 迭代步， n 为间隔迭步数； 4)当出口温度Tout和压降ΔPre的方差均小于收敛标准δ， 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， 根据热平衡关系式Q＝ρ vAcp,aveΔT， Q为热源功率， ρ 为热源入口密 度， A为流通面积， cp,ave为热源平均定压比容， ΔT为热源进出口温差， 以热源出口流体过冷 度为20℃为基准对初始速度进行优化， 具体为： vi＝Q/[ρ Acp,ave(Tsat‑Tin‑20)]， 并返 回步骤 3)， 当ΔPd＞ΔPz/2时， 根据式vi+1＝vi[1+(ΔPd‑ΔPz)/(ΔPd+ΔPz)]， 得到更新后的流速 vi+1； 6)根据流速vi和vi+1更新步骤4)中的收敛标准δ， 具体为δ＝C|vi+1‑vi|/max(vi+1,vi)， C 为定值常数， i为数据交互次数， max()为取最大值函数， δ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 114201871 A 2用于分析自然循环系统热工 水力特性的 自适应多尺度耦合 方法 技术领域 [0001]本发明涉及 流动与换热数值计算领域， 是一种用于分析自然循环系统热工水力特 性的自适应多尺度耦合方法， 特别适用于具有一 维和三维流动特征的自然循环系统热工水 力特性的定量分析。 背景技术 [0002]自然循环作为非能动安全技术的主要原理之一， 其在能源和化工等领域应用极为 广泛。 其中， 为进一步提升核电站的安全性， 第三代核电厂广泛采用非能动的设计理念。 由 于自然循环系统具有结构简单， 固有安全性好等优点， 自然循环式非能动安全系统在第三 代核电厂中得到普遍应用。 因此， 研究基于 自然循环式非能动安全系统的热工水力特性对 核电厂的安全设计至关重要。 [0003]目前， 本领域技术人员针对自然循环系统热工水力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热源和列管式换热器， 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 一维程序和三维程序软件的优点， 开发了一维程序和 三维程序的自适应耦合计算方法， 实 现了对具有一维和三 维流动特征的自然循环系统热工水力特性的快速和准确模拟， 可为研 究人员提供极具价 值的研究工具。 [0004]在现有的文献中， 针对一维程序和三维程序自适应多尺度耦合的研究很少， 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。 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， 需依赖实验经验， 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 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 [0005]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 分析自然循环系统热工水力特 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 维和三维耦合程序说　明　书 1/5 页 3 CN 114201871 A 3