一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法技术

一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法，采用等几何粒子法进行反应堆压力容器全流域仿真计算及分流结构所在的下腔室流体仿真，采用变密度法SIMP拓扑优化方法进行结构优化，结合拉格朗日观点思想和非定常流场的流场仿真的结果，实现分流效果目标函数关于设计变量的灵敏度分析，推动目标函数向设定值逼近，继而使得结构向预定性能逼近，达成在已有约束下的最有材料分布和结构设计；本发明专利技术可以根据堆芯的能量分布对冷却剂分流结构进行拓扑优化设计，显著缩短结构设计周期，增强冷却剂的冷却效果，提升核反应堆的热利用率。提升核反应堆的热利用率。提升核反应堆的热利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法


[0001]本专利技术涉及核反应堆堆芯冷却剂分流结构
，具体涉及一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法。

技术介绍

[0002]随着核能技术的发展和成熟，核反应堆已经成为了重要的能源来源。核反应堆的能量来源于一定间隔排列的燃料棒，燃料棒中的核燃料受到中子轰击发生链式反应，产生大量热能；由于燃料棒中的材料富集程度不均匀，燃料棒装载分布形式以及格架和其他支撑结构的存在，核反应堆芯的功率分布并不是均匀的，造成堆芯内部温度分布不均匀。为了提高的一回路冷却剂的换热效率，尽快将堆芯内的高温区热量排出，保证核反应堆的运行安全，需要在下腔室中设计分流结构，根据堆芯不同区域的功率调配进入热交换区域的冷却剂流量。
[0003]冷却剂分流结构布置于核反应堆压力容器的下腔室中，其直接影响到堆芯的温度，继而影响堆芯内链式反应速率、发电效率乃至整个反应堆的安全性，这样的关键结构设计具有很高的挑战性，也对结构的性能提出了更高的要求。传统的设计方法严重依赖工程人员的实践经验，设计者设计出结构后再进行实验测试，验证其合格性，并给出改进措施。这样的设计方法虽然可以较为方便的对设计进行优化，但是无法高效的挖掘出结构设计的潜能，难以发挥材料的最大能力，缺乏科学的设计理论依据的指导。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法，可以根据堆芯的能量分布对冷却剂分流结构进行拓扑优化设计，显著缩短结构设计周期，增强冷却剂的冷却效果，提升核反应堆的热利用率。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法，采用等几何粒子法进行反应堆压力容器全流域仿真计算及分流结构所在的下腔室流体仿真，采用变密度法(以下简称为“SIMP”)拓扑优化方法进行结构优化，结合拉格朗日观点思想和非定常流场的流场仿真的结果，实现分流效果目标函数关于设计变量的灵敏度分析，推动目标函数向设定值逼近，继而使得结构向预定性能逼近，达成在已有约束下的最有材料分布和结构设计。
[0007]一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法，包括以下步骤：
[0008]1)下腔室分流结构设计域边界条件的等效：
[0009]通过压力容器全流域的仿真获取等效的分流结构设计域的入口边界条件，使用有限体积法求解压力容器全流域的流场分布，提取全流域速度分布结果中设计域入口面位置的平均速度作为设计域的入口速度；
[0010]2)建立SIMP拓扑优化模型：
[0011]2.1)建立设计域SIMP拓扑模型：
[0012]根据分流结构设计域的真实CAD模型，建立设计域SIMP拓扑模型；SIMP拓扑优化方法以各向同性的伪密度单元为结构优化的最小单位，设计域被表征为紧密排列的伪密度单元；SIMP以单元的伪密度值γ作为设计变量，其反映了材料密度与材料性质之间对应关系；伪密度值的1和0分别代表了该位置结构的有无，设计变量场γ＝{γ1,γ2,...,γ
i
,...}
T
表征了设计域中的结构分布；
[0013]2.2)固液相的统一描述：
[0014]设计域内包含不同伪密度值的伪密度单元，其对于流场的作用程度与伪密度值相关，并作为外力项添加到流场控制方程纳维斯托克斯方程中；不同伪密度值的单元对于流场的作用效果通过渗透率α这一设计相关量反映到流场控制方程中，渗透率为0则表示该单元为固体，对应的伪密度为1，流体无法流动，渗透率为1则表示该处为纯流体，对应的伪密度为0，不会收到任何固体的阻碍作用，中间态的渗透率通过伪密度值和插值函数实现映射；
[0015]2.3)建立SIMP拓扑优化数学模型：
[0016]分流结构的设计目标是使所有的液体按照比例从下腔室的一系列出口通道流入堆芯，SIMP拓扑优化数学模型的目标函数由两部分组成：各出口流量与目标流量的偏差平方和以及同比例出口之间的流量偏差平方和；两部分目标函数根据问题不同配以不同的权重因子；约束函数是分流结构的材料用量，流体控制方程为非定常形式的N
‑
S方程，基于上述的目标和约束，建立如下的拓扑优化数学模型：
[0017][0018][0019]V
‑
ωV0≤0
[0020]0≤γ≤1
[0021]其中表示出口流量与目标流量的偏差平方和，表示同比例出口之间的流量偏差平方和，λ0和λ1为目标函数的权重因子，v为流体速度，p为流体压强，ρ为冷却剂的密度，g为重力加速度，α为渗透率，γ为设计变量，ω为材料体积分数约束值，V为结构体积，V0为设计域的总体积；
[0022]至此，建立了冷却剂分流结构的SIMP拓扑优化模型；
[0023]3)分流结构设计域流场计算：
[0024]采用等几何粒子流体动力学方法对分流结构设计域进行流场计算，步骤如下：
[0025]3.1)设计域的等几何表征：
[0026]根据分流结构设计域的真实几何模型，引入非均匀有理B样条曲线NURBS基函数，构建二阶B样条曲线，在参数空间内定义控制设计域几何模型的曲线组及相应的控制节点向量组；根据边界曲线组定义二维NURBS曲面，从而实现设计域的等几何表征；
[0027]3.2)建立分流结构流场分析模型：
[0028]对分流结构设计域进行双线性离散，对控制粒子赋予信息，构建分流结构流场求解的控制粒子层离散模型；采用基于NURBS基函数实现控制粒子层的参数坐标与其物理空间坐标的转换：
[0029][0030]其中R
i,j
为双线性NURBS基函数，t
i,j
为控制粒子坐标向量，η,ξ,ζ为参数坐标系下的坐标，F为基于NURBS基函数的坐标转换；
[0031]物理粒子层建立在控制粒子层之上，物理粒子所承载的流场物理信息由控制粒子流场物理信息和NURBS基函数插值得到：
[0032][0033]其中，R
i,j
为双线性NURBS基函数，e
i,j
为物理粒子承载的待求解流场物理场信息，b
i,j
为控制粒子承载的流场物理信息；
[0034]3.3)物理粒子相互作用：
[0035]分流结构流场的求解需要对物理粒子施加相应的物性参数，控制粒子不承载物理属性；结合有相位移场思想，通过设置粒子间干涉半径，粒子间相互作用方程的形式，计算并施加物理粒子间的相互作用；
[0036]3.4)求解非定常物理场信息：
[0037]求解流场控制方程获得分流结构设计域内的流场分布，对于流场控制方程中的高阶偏微分项，首先完成基函数在参数空间内的位置偏导项计算，再使用雅克比矩阵实现参数空间位置偏导项向物理空间位置偏导项的映射方程中的高阶偏微分项；基于NURBS基函数结合雅可比矩阵对其处理如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法，其特征在于：采用等几何粒子法进行反应堆压力容器全流域仿真计算及分流结构所在的下腔室流体仿真，采用变密度法SIMP拓扑优化方法进行结构优化，结合拉格朗日观点思想和非定常流场的流场仿真的结果，实现分流效果目标函数关于设计变量的灵敏度分析，推动目标函数向设定值逼近，继而使得结构向预定性能逼近，达成在已有约束下的最有材料分布和结构设计。2.一种适配堆芯能量分布的冷却剂分流结构拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)下腔室分流结构设计域边界条件的等效：通过压力容器全流域的仿真获取等效的分流结构设计域的入口边界条件，使用有限体积法求解压力容器全流域的流场分布，提取全流域速度分布结果中设计域入口面位置的平均速度作为设计域的入口速度；2)建立SIMP拓扑优化模型：2.1)建立设计域SIMP拓扑模型：根据分流结构设计域的真实CAD模型，建立设计域SIMP拓扑模型；SIMP拓扑优化方法以各向同性的伪密度单元为结构优化的最小单位，设计域被表征为紧密排列的伪密度单元；SIMP以单元的伪密度值γ作为设计变量，其反映了材料密度与材料性质之间对应关系；伪密度值的1和0分别代表了该位置结构的有无，设计变量场γ＝{γ1,γ2,...,γ
i
,...}
T
表征了设计域中的结构分布；2.2)固液相的统一描述：设计域内包含不同伪密度值的伪密度单元，其对于流场的作用程度与伪密度值相关，并作为外力项添加到流场控制方程纳维斯托克斯方程中；不同伪密度值的单元对于流场的作用效果通过渗透率α这一设计相关量反映到流场控制方程中，渗透率为0则表示该单元为固体，对应的伪密度为1，流体无法流动，渗透率为1则表示该处为纯流体，对应的伪密度为0，不会收到任何固体的阻碍作用，中间态的渗透率通过伪密度值和插值函数实现映射；2.3)建立SIMP拓扑优化数学模型：分流结构的设计目标是使所有的液体按照比例从下腔室的一系列出口通道流入堆芯，SIMP拓扑优化数学模型的目标函数由两部分组成：各出口流量与目标流量的偏差平方和以及同比例出口之间的流量偏差平方和；两部分目标函数根据问题不同配以不同的权重因子；约束函数是分流结构的材料用量，流体控制方程为非定常形式的N
‑
S方程，基于上述的目标和约束，建立如下的拓扑优化数学模型：目标和约束，建立如下的拓扑优化数学模型：V
‑
ωV0≤00≤γ≤1其中表示出口流量与目标流量的偏差平方和，表示同比例出口之间的流量偏差平方和，λ0和λ1为目标函数的权重因子，v为流体速度，p为流体压强，ρ为冷却剂的密度，g为重力加速度，α为渗透率，γ为设计变量，ω为材料体积分数约束值，V为结构体积，V0为设计域
的总体积；至此，建立了冷却剂分流结构的SIMP拓扑优化模型；3)分流结构设计域流场计算：采用等几何粒子流体动力学方法对分流结构设计域进行流场计算，步骤如下：3.1)设计域的等几何表征：根据分流结构设计域的真实几何模型，引入非均匀有理B样条曲线NURBS基函数，构建二阶B样条曲线，在参数空间内定义控制设计域几何模型的曲线组及相应的控制节点向量组；根据边界曲线组定义二维NURBS曲面，从而实现设计域的等几何表征；3.2)建立分流结构流场分析模型：对分流结构设计域进行双线性离散，对控制粒子赋予信息，构建分流结构流场求解的控制粒子层离散模型；采用基于NURBS基函数实现控制粒子层的参数坐标与其物理空间坐标的转换：其中R
i,j
为双线性NURBS基函数，t
i,j
为控制粒子坐标向量，η,ξ,ζ为参数坐标系下的坐标，F为基...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝童，柴振鸿，陆祺，刘策，邓坚，洪军，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：