(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 202111677890.6 (22)申请日 2021.12.31 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 王明军　秋涵瑞　刘凯　章静　 田文喜　秋穗正　苏光辉　 (74)专利代理 机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人 何会侠 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种铅铋快堆 堆芯热工水力特性分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种铅铋快堆堆芯热工水力 特性分析方法， 步骤如下： 1、 建立冷却剂流动换 热特性分析模型； 2、 建立盒 间流流动换热特性分 析模型； 3、 建立燃料棒热工特性分析模型； 4、 建 立多流场流固耦 合换热模 型； 5、 建立多流场流固 耦合求解方法。 本方法对铅铋快堆堆芯内的定位 格架以及棒束结构进行了简化， 并且在计算过程 中考虑了组件盒及盒间流对组件内部冷却剂的 物理量的影响； 通过对盒间流及绕丝的简化， 可 以精确计算盒 间流温度分布、 燃料棒温度分布和 冷却剂流场和温度场， 同时大幅降低了计算资源 的消耗， 提高了运算速度， 对铅铋快堆全堆芯热 工水利特性分析在实际工程运用中提供了一种 高效、 准确的新型计算 流体力学 数值模拟方法。 权利要求书4页 说明书9页 附图3页 CN 114282460 A 2022.04.05 CN 114282460 A 1.一种铅铋快堆 堆芯热工水力特性分析 方法， 其特 征在于： 具体包括如下步骤： 步骤1： 运用网格划分软件对铅铋快堆堆芯的三维几何模型进行控制体划分， 形成铅铋 快堆堆芯的网格模型， 具体分为如下步骤： 步骤1‑1： 建立铅铋快堆堆芯计算域的三维几何模型， 通过对三维几何模型中的燃料 棒、 绕丝、 燃料组件盒、 盒间流以及其他部件进行简化， 将三维几何模型简化为一个蜂窝状 的由多个正六棱柱的流体域组成的计算模型； 步骤1‑2： 对步骤1中的计算模型进行单独的网格划分， 通过网格划分软件的正三棱柱 网格划分功能将计算模型划分为多个 体积相等的正 三棱柱控制体； 步骤2： 根据燃料棒、 组件盒璧及盒间流的分布， 分别针对不同的正三棱柱控制体建立 堆芯内冷却剂流动换 热特性分析模型， 具体步骤如下： 步骤2‑1： 求解冷却剂的质量、 动量和能量守恒方程， 得到铅铋快堆堆芯内部流体域内 的速度场与温度场分布， 从而确定盒间流对反应堆内部流动换热特性的影响； 具体地， 冷却 剂质量守恒方程 为： 其中ρ 为冷却剂密度/kg ·m‑3， 为冷却剂流速 /m·s‑1， t为流动时间/s； 冷却剂动量守恒方程 为： 其中p为冷却剂 压力/Pa， μ为冷却剂动力粘性系数/Pa ·s， 代表的是湍流搅混引起 的相邻通道间的动量交换， g为重力加速度/m ·s‑2， 为棒束及绕丝结构引入的动量源 项； 冷却剂能量守恒方程 为： 其中h为冷却剂焓/J， 代表的是湍流搅混引起的相邻 通道间的能量交换， SE为燃料 棒表面换 热、 盒璧传热以及盒间流对流换 热引入的能量源项； 步骤2‑2： 对于不同的正三棱柱控制体， 将对应的控制体体积和控制体边界面的面积进 行修正后得到真实的冷却剂通道内的流动换热 特性， 对物理量 在控制体P中的控制方程进 行离散得到物理量在冷却剂通道内的离 散方程： 上式为控制方程的差分形式， 其代表的物理意义为： 在某个时间间隔内， 控制体P内物 理量 的增量等于 同一时间间隔内由于冷却剂对流和扩散作用而导致的通过冷却剂通道 交界面进入到通道内 的物理量 的净值与源项产生的物理量 的总和， 其中V ′P为修正后的权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114282460 A 2控制体体积/m3， 为在修正后的控制体表面积， 为物理量 在n时刻的值， 为n时刻物 理量 在f面上的值， 为物理量 的扩散系数， 为n时刻物理量 在f面上的梯度， 为源项， 该离 散方程适用于任意 一个有限体积控制体； 步骤2‑3： 在真实的反应堆堆芯中， 相邻组件盒之间存在狭窄的缝隙并有冷却剂流动， 盒间流能在冷却剂缺少的工况下协助 组件换热； 在划分控制 体时， 将组件盒相邻的网格划 分出来并通过盒间流流动换热特性分析模型求得盒间流对相 邻组件盒传递的热量， 具体如 下： 式中： 等号左边表示在i节点储存的热量， 等号右边第 一项和第 二项为控制体P和N传入 节点的热量， 第三项为节点i向下一个节点传递的热量， 其中Cp为冷却剂的比热容/J ·kg ‑1·K‑1， 为在n时刻时i点的盒间流温度/K， 为在n时刻的前一时间步时i点的盒间流 温度/K， RP表示盒间流中心点到控制体P体心间的热阻/K ·W‑1， 和 分别表示在n ‑ 1时刻盒间流相邻的两个控制体N和P内的温度/K， AIWF为盒间流通道的横截面积/m3， 为n‑1时刻沿轴向的下一个节点的盒间流温度/K； RP和RN分别表示盒间流中心点与控制体P和N之间的热阻/W ·K‑1： 其中kw为墙壁的导热系数/W ·m‑1·K‑1， Lw为墙壁厚度/m， hN和hP分别为相邻的两个控制 体N和P盒璧内表面的对流 换热系数， hIWF为盒璧外表面的对流换热系数/ W·m‑2·K‑1， Aw为墙 壁的换热面积/m2； 步骤3： 燃料棒热工特性分析模型包含燃料棒包壳表面对流换热模型和燃料棒内部导 热模型， 具体建立 步骤如下： 步骤3‑1： 建立燃料棒包壳表面对流换热模型并提出如下假设： ①反应堆燃料棒及控制 棒结构均匀 地分布在堆芯中； ②单个控制 体内燃料棒几何结构不发生剧烈变化； ③单个控 制体内所有燃料棒具有相同的热工状态； ④单个控制体内所有燃料棒具有相同的几何特性 且已知； 燃料棒与逐个流体域进行传热， 传热由下式计算： QT＝hTAT(Tf‑Tr) 其中hT为表面换热系数/W ·m‑2·K‑1， AT为单位长度内换热面积/m2， Tf为流体主流温度/ K， Tr为燃料棒包壳表面温度/K； 步骤3‑2： 建立燃料棒内部导热模型， 根据燃料棒的结构特点沿径向划分N个节点， 包含 包壳， 气隙和燃料芯块， 其中外侧两个计算节点分别位于包壳外侧边界， 其他节点沿燃料芯 块中心向外布置， 且有一个节点在芯块边界上； 忽略燃料棒轴向导热， 根据能量守恒定律对 于节点m有以下导热 方程：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114282460 A 3