背景技术：
1、高温气冷堆在设计上属于第四代核反应堆，高温气冷堆根据燃料形式不同，可分为球床式和棱柱式高温气冷堆。球床高温气冷堆采用氦气作为冷却剂，石墨作为慢化剂，triso包覆颗粒作为燃料元件，具有固有安全性好，堆芯出口温度高，可提供多种工艺热的特点。在控制装置都失效的状态下，球床反应堆也很难导致堆芯熔化。
2、由于采用球形燃料元件随机堆积形成的球床堆芯，导致氦气流动呈现显著三维特征，各方向流动耦合更加紧密且出入口温度变化范围大，堆芯的球床结构也让堆芯最高温度的准确预测非常困难，因此，建立数学模型并给出一种球床堆芯的热工求解方法是非常关键的。
3、经调研，目前鲜有公开成果介绍球床式高温气冷堆堆芯的瞬态热工求解方法。
技术实现思路
1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
2、因此，本发明解决的技术问题是：如何提高球床式高温气冷堆堆芯在瞬态工况下的热工性能分析的准确性和效率。
3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法，其包括如下步骤，
4、根据气冷反应堆系统球床堆芯特点建立冷却剂质量守恒方程、动量守恒方程，将方程离散为圆柱几何。
5、划分网格控制体，建立差分方程，逐点计算所有网格点压力和流量。
6、判断压力场迭代求解是否收敛，判断截断误差是否符合条件；收敛则进入下一步，不收敛则继续进行迭代计算。
7、建立冷却剂能量守恒方程，离散后逐点计算所有网格点冷却剂温度。
8、判断冷却剂温度场迭代求解是否收敛，判断截断误差是否符合条件；收敛则进入下一步，不收敛则继续进行迭代计算。
9、根据气冷反应堆系统球床堆芯特点建立二维瞬态导热方程，将二维瞬态导热方程离散为圆柱几何。
10、划分网格控制体，建立差分方程，求解网格点温度。
11、判断固体温度场迭代求解是否收敛，判断截断误差是否符合条件，收敛则进入下一步，不收敛则继续迭代计算。
12、整理数据，输出计算结果，进行下一步长计算。
13、作为本发明所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的一种优选方案，其中：所述冷却剂质量守恒方程，表达式为：
14、
15、
16、其中，sm是质量源，是质量流速向量，v、ρ分别为速度和密度。
17、在柱坐标中，表达式为：
18、
19、其中，r为径向距离，gr、gz分别为径向质量流速和轴向质量流速。
20、所述动量守恒方程，表达式为：
21、
22、
23、其中，ψ为摩擦系数，ε为孔隙率，dp为燃料球的直径，为压降项，为摩擦项，为重力项。
24、所述将方程离散为圆柱几何，表达式为：
25、
26、
27、其中，为质量流量，wstr为由通道大小、粘度、摩擦系数确定的分母项，az为流通面积。
28、作为本发明所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的一种优选方案，其中：所述差分方程的表达式为：
29、所述计算所有网格点压力和流量，表达式为：
30、
31、其中，pw、pp、pn、pe、ps分别为五个控制体的压力，s为质量流量源大小，mp为计算目标p点，wstr,1、wstr,2、wstr,3、wstr,4分别为各方向质量流量计算的分母项。
32、计算出压力场数据，用轴向和径向方向的单独的动量守恒方程解得速度场，进一步通过δxk，根据xk+1＝xk+α*δxk，求解xk+1，进一步根据允许误差限判断迭代求解是否收敛，判断截断误差是否符合条件，若迭代不收敛，继续计算。若迭代收敛，k+1次的迭代结果xk+1即为下一迭代步的参数值。
33、作为本发明所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的一种优选方案，其中：所述冷却剂能量守恒方程，表达式为：
34、
35、其中，tc是冷却剂温度，ts是球床表面的温度，cp为热容，ρ为冷却剂的密度，λc是冷却剂的导热系数，为冷却剂流速，h为对流传热系数，as为控制体内有效换热面积，为哈密顿算子作偏导，h为对流传热系数。
36、在柱坐标系上能量守恒方程，表示为：
37、
38、其中，rvr为径向冷却剂流速和距离乘积、rλc,r径向热导率和距离乘积、λc,z为轴向热导率。
39、为对流换热，对应于从通过控制体表面进出控制体积的热量，对控制体进行积分后可展开为：
40、
41、其中，为球床的导热，h as(ts-tc)为从球床到冷却剂的换热，用ts表示控制体内固体球床的表面温度，用tc表示冷却剂的温度，此项对流换热作为固体部分导热模型计算的对流热源项，表达式为：
42、
43、其中，n为控制体内的燃料球数，dp为燃料球直径，v为控制体体积。使用经验关系式计算nu，而对流换热系数h为:
44、
45、进一步的，利用δxk，根据xk+1＝xk+α*δxk，α为松弛因子，可求解xk+1，对于得到的xk+1，根据允许误差限，判断迭代求解是否收敛，判断截断误差是否符合条件。
46、若迭代不收敛，继续计算。若迭代收敛，k+1次的迭代结果xk+1即为下一迭代步的参数值。
47、作为本发明所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的一种优选方案，其中：所述二维瞬态导热方程，表达式为：
48、
49、q＝qc+qn
50、其中，ρ是密度，cp是热容，λ是固体材料的热导率，t是温度，q是热源，qc、qn分别为对流热源以及对流热源。
51、在柱坐标下，表达式为：
52、
53、作为本发明所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的一种优选方案，其中：使用数值解法讲反应堆离散为圆柱几何，根据圆柱形几何形状的控制体体积进行单位时间内积分，表达式为：
54、
55、
56、
57、
58、
59、
60、
61、其中，λe、λw、λs、λn、rw、λe、λw分别为各节点的热导率和轴向径向长度，分别为各节点下一步长温度，分别为各节点上一步长的固体温度，δ为偏导，e、w、s、n分别为四个方向相邻的节点。
62、作为本发明所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的一种优选方案，其中：所述单位时间内积分还包括：
63、
64、
65、
66、
67、
68、
69、
70、其中，ae、aw、an、as为四个方向上节点的热阻倒数项，当前计算节点的热容项，ap用于简写剩下的系数。
71、数值方程使用热阻wlt建立，热阻由导热系数表示，表达式为：
72、
73、
74、
75、
76、其中，wlt,e、wlt,w、wlt,n、wlt,s四个方向上节点的热阻。
77、通过δx，根据xk+1＝xk+α*δxk求解xk+1进一步根据允许误差限，判断迭代求解是否收敛，判断截断误差是否符合条件。
78、若迭代不收敛，继续计算，若迭代收敛，k+1次的迭代结果xk+1即为下一迭代步的参数值。
79、本发明的另外一个目的是提供一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解系统，其能通过改进热工计算方法和增强系统的计算能力，能够更精确地模拟和预测堆芯在各种操作条件下的热工行为，从而解决了计算效率低下和模拟精度不高的问题。
80、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解系统，包括：网格划分与控制体建立模块、质量和动量守恒求解模块、能量守恒求解模块、瞬态导热求解模块以及迭代求解与收敛判断模块。
81、所述网格划分与控制体建立模块是将反应堆堆芯离散化，建立圆柱几何形状的网格控制体，通过将连续的物理域离散成有限数量的控制体。
82、所述质量和动量守恒求解模块是求解冷却剂的质量守恒方程和动量守恒方程，计算网格点的压力和流量，通过迭代求解压力场和速度场。
83、所述能量守恒求解模块是计算冷却剂和固体部分的能量守恒方程，通过离散化能量守恒方程，逐点计算冷却剂和固体的温度分布。
84、所述瞬态导热求解模块是针对球床堆芯的二维瞬态导热方程进行求解，计算固体部分的温度变化。
85、所述迭代求解与收敛判断模块是迭代求解方程并判断求解过程是否收敛，过比较连续两次迭代的结果差异与预设的截断误差，决定是否继续迭代计算或者进入下一计算步骤。
86、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的步骤。
87、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的步骤。
88、本发明的有益效果：本发明简化气冷堆常用系统热工水力程序计算中复杂的迭代求解流程。本发明采用的热工求解方法流程便捷，采用多孔介质模型用于模拟球床堆芯的流动和导热，采用准稳态模型用于求解流体的质量和能量守恒方程。在计算中加入了松弛因子改善/加速收敛，提高求解流程的精确度并且适用于各种计算情况，变量间迭代求解过程更为清晰，简化求解流程，提升求解效率。
1.一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法，其特征在于：所述冷却剂质量守恒方程，表达式为：
3.如权利要求2所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法，其特征在于：所述差分方程的表达式为：
4.如权利要求3所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法，其特征在于：所述冷却剂能量守恒方程，表达式为：
5.如权利要求4所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法，其特征在于：所述二维瞬态导热方程，表达式为：
6.如权利要求5所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法，其特征在于：使用数值解法讲反应堆离散为圆柱几何，根据圆柱形几何形状的控制体体积进行单位时间内积分，表达式为：
7.如权利要求6所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法，其特征在于：所述单位时间内积分还包括：
8.一种采用如权利要求1～7任一所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的系统其特征在于：包括网格划分与控制体建立模块、质量和动量守恒求解模块、能量守恒求解模块、瞬态导热求解模块以及迭代求解与收敛判断模块；
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述一种球床式高温气冷堆的堆芯瞬态热工求解方法的步骤。
