本发明属于核电技术领域，涉及一种反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法。
背景技术：
核电站反应堆一回路冷却剂用于冷却核反应堆堆芯，并吸收反应堆中核燃料裂变释放的热量，同时控制反应堆反应速率，并将热量传递给二回路介质推动汽轮发电机组做功发电。反应堆正常运行期间，反应堆冷却剂工质状态参数直接决定着反应堆堆芯的运行状态，是核反应堆保证安全稳定运行的关键参数。
核电站一回路系统封闭在压力容器内，其构成了一回路冷却剂的压力边界,起着防止裂变产物逸出的作用。反应堆一回路系统主要由反应堆堆芯、堆内构件、主泵或主风机、蒸汽发生器以及反应堆冷却剂管道等组成。高温气冷堆核电站是目前国际公认的先进核反应堆，与压水堆核电站不同，其反应堆以石墨为载体，氦气为一回路冷却剂，通过主氦风机驱动氦气在一回路系统内循环带走反应堆堆芯发出的热量，并与蒸汽发生器管束内二回路汽水混合物换热。研究高温气冷堆反应堆一回路氦气的流动特性至关重要，这是因为一方面需要在反应堆运行过程中分析氦气流量、温度和压力的变化特性，通过控制其状态参数来实现与反应堆堆芯发热量的匹配性，达到堆芯最佳冷却效果；另一方面高温气冷堆一回路压力容器由反应堆压力容器、蒸汽发生器壳体、热气导管壳体三个承压容器构成，一回路压力容器体积较大且流场结构较复杂，氦气在一回路换热过程中一旦发生局部流动不充分现象，将严重影响压力容器内换热组件的安全性；另外，蒸汽发生器螺旋管束内工质流体具有汽液两相流不稳定和沸腾传热复杂、多变的运行特点，氦气流经管束外侧换热过程中，需要探明蒸汽发生器传热管束应力场分布情况，避免管束应力集中而导致的管束破损等严重事故。
针对以上问题，需要通过数值模拟方法来分析反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场分布情况，现有的热工分析计算方法，分别建立了高温气冷堆一回路堆芯和蒸汽发生器的流场、温度场和应力场，如：[1]陈志鹏，孙喜明，孙俊.高温气冷堆侧反射层纵向窄缝中的旁流研究[j].工程热物理学报.2018，39(3)：592-597.文献研究了氦气在堆芯内的流场分布；[2]卢涛,李洋.体心立方球床高温气冷堆流动及传热数值模拟[j].热科学与技术.2016,15(4):273-278.文献研究了氦气在燃料球孔隙间的流场分布；[3]董建令,张晓航,殷德健等.10mw高温气冷堆蒸汽发生器传热管束应力分析[j].2001,22(5):432-437.文献分析了蒸汽发生器传热管束的应力场分布。但对于满足同时研究氦气在包括堆芯、蒸汽发生器和热气导管的一回路压力容器内的流场、温度场和应力场分布情况，目前尚无可参考的耦合数值模拟计算方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，该方法能够实现反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场的耦合数值模拟计算。
为达到上述目的，本发明所述的反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法包括以下步骤：
1)构建与实际设备尺寸相同的高温气冷堆反应堆堆芯模型及蒸汽发生器模型；
2)在高温气冷堆反应堆堆芯模型的几何体外侧构建反应堆压力容器结构层，高温气冷堆反应堆堆芯模型的堆芯中心构建燃料元件结构体，以建立计算域1；在蒸汽发生器模型的几何体外侧构建蒸汽发生器壳体及主氦风机结构体，以建立计算域2；在高温气冷堆反应堆堆芯模型和蒸汽发生器模型之间构建氦气流动通道及热气导管壳体结构体，以建立计算域3；
3)设置计算域1、计算域2及计算域3中的设备材质及流体域；
4)设定流场的区域及其边界层、温度场的区域及其边界层和应力场的区域及其边界层；
5)利用comsol软件内置的网格剖分模块对流场、温度场和应力场进行网格化；
6)计算域1及计算域3采用k-ε湍流模型，计算域2采用多孔介质模型；
7)通过改变一回路氦气和二回路汽水混合物压力p、温度t及流速u，模拟反应堆在不同功率水平下的运行参数，得计算域1、计算域2和计算域3的流场、温度场及应力场分布结果；
8)根据步骤7)中得到的计算域1、计算域2和计算域3的流场、温度场及应力场分布结果，绘制计算域1、计算域2及计算域3的流场切片图，绘制反应堆不同功率水平下氦气与汽水混合物的流场及温度场分布趋势图，传热管束金属温度场和应力场分布趋势图，通过调整氦气压力p、温度t及流速u的大小，分析氦气不同运行参数下的反应堆流场、温度场及应力场的分布特性；通过调整二回路汽水混合物压力p、温度t及流速u，分析不同运行工况下蒸汽发生器管束温度场和应力场的分布特性，最终得高温气冷堆不同功率水平下的最优化运行参数配置，完成反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场的耦合数值模拟计算。
步骤1)的具体操作为：根据高温气冷堆反应堆堆芯及蒸汽发生器图纸，利用cmosol内嵌的cad建模工具构建与实际设备尺寸相同的高温气冷堆反应堆堆芯模型及蒸汽发生器模型。
步骤3)的具体操作过程为：设计算域1中反应堆压力容器的材质为钢材，高温气冷堆反应堆内的构件材料包括石墨、碳砖和钢板金属材料；
计算域2中蒸汽发生器的壳体材料为钢材，传热管束的材料为奥氏体耐热合金材料；
计算域3中热气导管壳体的材料为不锈钢锻件，热气导管的材料为耐高温合金结构钢；
计算域1中的流体域包括压力容器与堆内构件之间腔室通道以及反应堆堆芯圆柱体腔室通道；
计算域2中的流体域包括蒸汽发生器传热管束壳侧通道及主氦风机出入口通道和螺旋传热管束内二回路汽水混合物流动通道；
计算域3中的流体域包括热气导管壳体与热气导管之间的环形通道以及热气导管中心通道。
步骤4)的具体操作过程为：流场包括氦气在一回路压力容器流体域内的流动区域，流场包含计算域1、计算域2及计算域3整个区域，流场边界层为压力容器壳体的内壁面、蒸汽发生器壳体的内壁面、热气导管壳体的内壁面以及蒸汽发生器传热管束的外壁面；
温度场包括与氦气流场相对应的氦气温度场、计算域2中蒸汽发生器传热管束金属温度场以及传热管束内二回路汽水混合物温度场；温度场边界层为压力容器壳体外壁面、热气导管壳体外壁面及蒸汽发生器壳体外壁面；
应力场包括与蒸汽发生器传热管束金属温度场相对应的应力场；应力场边界层为蒸汽发生器传热管束内壁面及外壁面。
步骤6)中计算域1采用k-ε湍流模型的方程为：
其中，cε1及cε2为湍流模型参数，cε1及cε2的取值分别为1.44及1.92，k为紊流脉动动能，ε为紊流脉动动能的耗散率，μ为动力粘度，u为流体速度，p为流体压力，i和f为comsol软件预置的源项参数。
步骤6)中计算域2采用多孔介质模型的方程为：
其中，εp为孔隙率，k为渗透率，qm及βf为comsol软件预置的源项参数。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法在具体操作时，利用comsol软件构建反应堆流场、温度场和应力场三种不同物理场的耦合计算模型，解决尚无可参考的耦合数值模拟计算问题，通过应用于分析高温气冷堆在不同功率水平下一回路氦气流场、温度场和应力场分布，揭示流场、温度场和应力场的相互影响因素，解决反应堆运行过程中局部流动不充分、应力集中和局部温度过高的问题，有效地保证高温气冷堆安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明的comsol软件计算方法流程图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明的高温气冷堆反应堆堆芯几何模型图；
图4为本发明的高温气冷堆蒸汽发生器几何模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法包括以下步骤：
1)根据高温气冷堆反应堆堆芯及蒸汽发生器图纸，利用cmosol内嵌的cad建模工具构建与实际设备尺寸相同的高温气冷堆反应堆堆芯模型及蒸汽发生器模型，其中，图3为反应堆堆芯几何模型，图4为蒸汽发生器几何模型，其中，为了计算域的快速收敛，应用对称结构体特点，图3中几何体为三菱柱体，体积为实际堆型体积的1/30；图4中高温气冷堆蒸汽发生器内部传热管结构为长径比为7:1的螺旋缠绕体，应用cmosol软件中自带的多孔介质模型构建几何体；
2)由图1所示计算流程，开始建立计算域：在高温气冷堆反应堆堆芯模型的几何体外侧构建反应堆压力容器结构层，高温气冷堆反应堆堆芯模型的堆芯中心构建燃料元件结构体，以建立计算域1；在蒸汽发生器模型的几何体外侧构建蒸汽发生器壳体及主氦风机结构体，以建立计算域2；在高温气冷堆反应堆堆芯模型和蒸汽发生器模型之间构建氦气流动通道及热气导管壳体结构体，以建立计算域3，此步骤完成建立几何模型尺寸与一回路压力容器内部构件实物比例为1:1的计算域模型；
3)材料属性定义：(1)固体域材料属性：设计算域1中反应堆压力容器的材质为钢材(型号为sa533-b)，高温气冷堆反应堆内的构件材料包括石墨、碳砖和钢板金属材料；计算域2中蒸汽发生器的壳体材料为钢材，传热管束的材料为奥氏体耐热合金材料(型号为21/4cr1mo和incoloy800h)；计算域3中热气导管壳体的材料为不锈钢锻件(型号为sa508-3)，热气导管的材料为耐高温合金结构钢(型号为12cr1mov/gh3128)，设置导热系数、热容及密度等相关材料物理量。(2)流体域材料属性：计算域1中的流体域包括压力容器与堆内构件之间腔室通道以及反应堆堆芯圆柱体腔室通道；计算域2中的流体域包括蒸汽发生器传热管束壳侧通道及主氦风机出入口通道和螺旋传热管束内二回路汽水混合物流动通道；计算域3中的流体域包括热气导管壳体与热气导管之间的环形通道以及热气导管中心通道，流体为氦气与二回路汽水的混合物，定义动力粘度、比热率、热容、密度和导热系数等相关物理量；
4)计算域物理场设置：(1)流场包括氦气在一回路压力容器流体域内的流动区域，包含计算域1、计算域2及计算域3整个区域，设置流场边界层为压力容器壳体的内壁面、蒸汽发生器壳体的内壁面、热气导管壳体的内壁面以及蒸汽发生器传热管束的内壁面；(2)温度场包括与氦气流场相对应的氦气温度场、计算域2中蒸汽发生器传热管束金属温度场以及传热管束内二回路汽水混合物温度场；温度场边界层为压力容器壳体外壁面、热气导管壳体外壁面及蒸汽发生器壳体外壁面；(3)应力场包括与蒸汽发生器传热管束金属温度场相对应的应力场；应力场边界层为蒸汽发生器传热管束内壁面及外壁面；
5)利用comsol软件内置的网格剖分模块进行网格划分，设置网格最大单元、最小单元、最大单元生长率、曲率因子及狭窄区域分辨率，确保网格的平滑过渡；对于气体流道狭窄区域进行局部网格的细化；黏性底层流动特性，流体区域划分较细的边界层网格，网格划分形式为自由四面体网格，网格数目约457万；
6)计算域1及计算域3采用k-ε湍流模型，计算域2采用多孔介质模型；
计算域1采用k-ε湍流模型的方程为：
其中，cε1及cε2为湍流模型参数，cε1及cε2的取值分别为1.44和1.92，k为紊流脉动动能，ε为紊流脉动动能的耗散率，μ为动力粘度，u为流体速度，p为流体压力，i和f为comsol软件预置的源项参数；
计算域1和计算域3初始值定义：u＝0m/s，p＝7mpa，k＝spf.k-init(comsol软件预置函数)，ε＝spf.ep-init(comsol软件预置函数)；入口边界条件定义：u0＝20m/s，k0＝spf.k0-init,ε＝spf.ep0-init。
计算域2多孔介质模型采用brinkman方程：
其中，εp为孔隙率，k为渗透率，qm及βf为comsol软件预置的源项参数；
计算域2初始值定义为：u＝0m/s，p＝7mpa；入口边界条件定义为：u0＝2.5m/s，按照图2物理场耦合计算流程图，利用comsol软件内置求解器选取稳态和瞬态两种方式迭代求解直至收敛；
7)通过改变一回路氦气和二回路汽水混合物压力p、温度t及流速u，模拟反应堆在不同功率水平下的运行参数，得计算域1、计算域2和计算域3的流场、温度场和应力场分布结果，初步检查结果是否符合质量、动量和能量守恒，按照图1计算流程图确定最终计算结果；
8)绘制计算域1、计算域2、计算域3的流场切片图，绘制反应堆不同功率水平下氦气与汽水混合物的流场及温度场分布趋势图，传热管束金属温度场和应力场分布趋势图，通过调整氦气压力p、温度t及流速u的大小，分析氦气不同运行参数下的反应堆流场、温度场及应力场分布特性；通过调整二回路汽水混合物压力p、温度t及流速u的大小，分析不同运行工况下蒸汽发生器管束温度场和应力场分布特性，最终得高温气冷堆不同功率水平下的最优化运行参数配置，避免反应堆运行过程中氦气和汽水混合物局部流动不充分、局部温度过高、以及金属传热管束应力集中的潜在问题。
1.一种反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建与实际设备尺寸相同的高温气冷堆反应堆堆芯模型及蒸汽发生器模型；
2)在高温气冷堆反应堆堆芯模型的几何体外侧构建反应堆压力容器结构层，高温气冷堆反应堆堆芯模型的堆芯中心构建燃料元件结构体，以建立计算域1；在蒸汽发生器模型的几何体外侧构建蒸汽发生器壳体及主氦风机结构体，以建立计算域2；在高温气冷堆反应堆堆芯模型和蒸汽发生器模型之间构建氦气流动通道及热气导管壳体结构体，以建立计算域3；
3)设置计算域1、计算域2及计算域3中的设备材质及流体域；
4)设定流场的区域及其边界层、温度场的区域及其边界层和应力场的区域及其边界层；
5)利用comsol软件内置的网格剖分模块对流场、温度场和应力场进行网格化；
6)计算域1及计算域3采用k-ε湍流模型，计算域2采用多孔介质模型；
7)通过改变一回路氦气和二回路汽水混合物压力p、温度t及流速u，模拟反应堆在不同功率水平下的运行参数，得计算域1、计算域2和计算域3的流场、温度场及应力场分布结果；
8)根据步骤7)中得到的计算域1、计算域2和计算域3的流场、温度场及应力场分布结果，绘制计算域1、计算域2及计算域3的流场切片图，绘制反应堆不同功率水平下氦气与汽水混合物的流场及温度场分布趋势图，传热管束金属温度场和应力场分布趋势图，通过调整氦气压力p、温度t及流速u的大小，分析氦气不同运行参数下的反应堆流场、温度场及应力场的分布特性；通过调整二回路汽水混合物压力p、温度t及流速u，分析不同运行工况下蒸汽发生器管束温度场和应力场的分布特性，最终得高温气冷堆不同功率水平下的最优化运行参数配置，完成反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场的耦合数值模拟计算。
2.根据权利要求1所述的反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：根据高温气冷堆反应堆堆芯及蒸汽发生器图纸，利用cmosol内嵌的cad建模工具构建与实际设备尺寸相同的高温气冷堆反应堆堆芯模型及蒸汽发生器模型。
3.根据权利要求1所述的反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，其特征在于，步骤3)的具体操作过程为：设计算域1中反应堆压力容器的材质为钢材，高温气冷堆反应堆内的构件材料包括石墨、碳砖和钢板金属材料；
计算域2中蒸汽发生器的壳体材料为钢材，传热管束的材料为奥氏体耐热合金材料；
计算域3中热气导管壳体的材料为不锈钢锻件，热气导管的材料为耐高温合金结构钢；
计算域1中的流体域包括压力容器与堆内构件之间腔室通道以及反应堆堆芯圆柱体腔室通道；
计算域2中的流体域包括蒸汽发生器传热管束壳侧通道及主氦风机出入口通道和螺旋传热管束内二回路汽水混合物流动通道；
计算域3中的流体域包括热气导管壳体与热气导管之间的环形通道以及热气导管中心通道。
4.根据权利要求1所述的反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，其特征在于，步骤4)的具体操作过程为：流场包括氦气在一回路压力容器流体域内的流动区域，流场包含计算域1、计算域2及计算域3整个区域，流场边界层为压力容器壳体的内壁面、蒸汽发生器壳体的内壁面、热气导管壳体的内壁面以及蒸汽发生器传热管束的外壁面；
温度场包括与氦气流场相对应的氦气温度场、计算域2中蒸汽发生器传热管束金属温度场以及传热管束内二回路汽水混合物温度场；温度场边界层为压力容器壳体外壁面、热气导管壳体外壁面及蒸汽发生器壳体外壁面；
应力场包括与蒸汽发生器传热管束金属温度场相对应的应力场；应力场边界层为蒸汽发生器传热管束内壁面及外壁面。
5.根据权利要求1所述的反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，其特征在于，步骤6)中计算域1采用k-ε湍流模型的方程为：
其中，cε1及cε2为湍流模型参数，cε1及cε2的取值分别为1.44及1.92，k为紊流脉动动能，ε为紊流脉动动能的耗散率，μ为动力粘度，u为流体速度，p为流体压力，i和f为comsol软件预置的源项参数。
6.根据权利要求5所述的反应堆一回路冷却剂流场、温度场和应力场耦合计算方法，其特征在于，步骤6)中计算域2采用多孔介质模型的方程为：
其中，εp为孔隙率，k为渗透率，qm及βf为comsol软件预置的源项参数。
技术总结