一种针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法。该方法适用于弥散型燃料元件整体模拟，同时考虑局部颗粒的行为及影响，步骤如下：1、建立三维等效燃料元件与一维颗粒球的几何模型；2、指定一维颗粒球的数量及其位置；3、计算当前时间步的燃耗；4、计算三维燃料元件的等效物性并开展热

【技术实现步骤摘要】
一种针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法


[0001]本专利技术属于方法专利技术
，具体涉及到一种针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法

技术介绍

[0002]弥散型燃料元件是一种新型高性能燃料元件，是将易裂变材料以小颗粒的形式弥散在非裂变基体中的固体核燃料。弥散型燃料元件具有燃料中心温度低、热容小、燃耗深等优点，在热工水力性能上具有较大的优越性，在研究堆中得到广泛的应用。
[0003]由于弥散型燃料内部燃料颗粒数量可达上万颗，如果对燃料元件整体以及其内部的所有颗粒都进行建模及网格划分，则会消耗巨大的计算资源，难以实现。因此国内外针对弥散型燃料元件的研究多从两个角度开展：1)在宏观尺度上建立燃料元件的模型，采用等效模型将燃料芯体等效为均匀的材料。2)在微观尺度上选取燃料元件的局部建立精细化的颗粒
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基体模型。这两种方法各有其优势，但是均存在一定的局限性。等效分析的方法可以宏观地分析燃料元件整体地性能，却无法考虑芯体中颗粒与基体的相互作用，无法考虑颗粒分布不均匀等局部效应，且不能准确地反映出燃料元件内部的应力场与温度场；精细化分析能够建立颗粒与基体的真实几何模型，真实的还原燃料颗粒与基体间的相互作用，却碍于计算资源的限制，无法针对燃料元件整体进行分析，无法对宏观的现象进行模拟。在目前公开发表的文献中，还未发现有将这两种方法结合使用的情况。因此，本研究提出一种针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法，将一维球模型与三维燃料元件等效模型耦合。该方法能宏观地考虑燃料元件整体地行为，同时能够还原局部颗粒基体的相互作用及其对燃料宏观性能的影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法。该方法将一维球模型与三维燃料元件等效模型耦合，宏观地考虑燃料元件整体地行为，同时还原局部颗粒基体的相互作用及其对燃料宏观性能的影响。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法，针对弥散型核燃料元件，采用三维等效燃料元件的几何模型计算燃料元件整体性能，同时采用一维颗粒球的几何模型计算多颗燃料颗粒的性能，最终实现一维颗粒球的几何模型与三维等效燃料元件的几何模型的耦合；
[0007]该方法包括以下步骤：
[0008]步骤一：根据工况的设定，分别建立三维等效燃料元件与一维颗粒球的几何模型；其中三维等效燃料元件的几何模型包括均匀的燃料芯体以及包壳，一维颗粒球的几何模型包括燃料颗粒、反应层和基体层；
[0009]步骤二：指定一维颗粒球的数量及其所处的三维等效燃料元件中的位置；
[0010]步骤三：计算当前时间步的燃耗；
[0011]步骤四：将弥散型三维燃料的芯体视为燃料颗粒在基体中打混后的均匀材料，根据燃料颗粒占芯体的体积份额v，计算芯体的等效热力学物性，并对三维燃料元件开展热
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力耦合计算，考虑三维燃料元件的蠕变以及塑性变形，得到三维燃料元件的温度及应力的分布；
[0012]步骤五：根据一维颗粒球的几何模型在三维等效燃料元件的几何模型中的位置，获取该位置处由步骤四计算的应力以及温度，作为一维颗粒球的几何模型的边界条件开展热
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力耦合计算，得到颗粒的肿胀率和孔隙率；
[0013]步骤六：将步骤五计算得到的颗粒肿胀率反馈给三维等效燃料元件的几何模型当前位置处的积分点，作为三维等效燃料元件的几何模型此处的本征应变；
[0014]步骤七：根据步骤五中计算得到的颗粒肿胀率以及孔隙率的变化，更新弥散型三维燃料的芯体当前位置积分点处燃料颗粒占芯体的体积份额v，重新计算芯体材料的等效热力学物性；
[0015]步骤八：在当前时间步重复步骤四、五、六、七直至达到如下收敛要求：
[0016][0017]式中，表示第k次迭代中颗粒球在界面j处的位移，j表示颗粒
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反应层界面或反应层
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基体界面；
[0018]步骤九：进入下一个时间步，重复步骤三、四、五、六、七直到完成全时段计算。
[0019]本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0020]1.该方法提供了一种针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法，能够综合考虑针对弥散型燃料元件的宏观等效模型即三维等效燃料元件的几何模型以及微观精细模型即一维颗粒球的几何模型的特点，实现两种模型的耦合以及同时计算分析，克服了单一模型的局限性。
[0021]2.由于三维等效燃料元件几何模型与一维颗粒球几何模型间的热力耦合计算相互独立，且数据间的传递是在完成各自的计算后实现的，因此该方法不改变三维宏观等效模型以及一维精细颗粒模型各自的内部的求解流程与模型。
[0022]3.由于本方法不需要在三维等效燃料元件几何模型中实际建模出一维颗粒球几何模型，只需定义一维颗粒球几何模型在其中的位置即可，因此该方法实现简单，可以任意定义颗粒球的数量以及位置。
附图说明
[0023]图1为针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法流程图。
[0024]图2为三维等效燃料元件模型与一维颗粒球模型耦合示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细描述：
[0026]本专利技术提供了一种针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法，图1为本方法的
流程图，图2为两种模型耦合示意图，其中包壳1、燃料芯体2组成了三维等效燃料元件的几何模型，燃料颗粒5、反应层6与基体层7组成了一维颗粒球的几何模型4。一维颗粒球的几何模型4可随机分布在三维等效燃料元件的几何模型的任意位置3，两种模型间互相独立计算，通过一定的方法实现耦合，具体方法如下：
[0027]步骤一：根据工况的设定，分别建立三维等效燃料元件的几何模型与一维颗粒球的几何模型4，其中三维等效燃料元件的几何模型包括均匀的燃料芯体以及包壳，一维颗粒球的几何模型4包括燃料颗粒5、反应层6和基体层7；对两种模型进行网格划分，其中三维等效燃料元件的几何模型可采用六面体网格均匀划分，一维球模型4可采用一维网格分别对燃料颗粒5、反应层6与基体层7进行划分；
[0028]步骤二：指定一维颗粒球的数量及其所处的三维等效燃料元件中的位置；即赋予每一个一维颗粒球的几何模型4的某一坐标参数即任意位置3，该坐标可随机分布在三维等效燃料元件的几何模型的燃料芯体2中，但任意两颗一维颗粒球的几何模型4球心间的距离需小于其直径。
[0029]步骤三：根据计算工况给定的裂变率以及设置的时间步长，计算当前时间步的燃耗；
[0030]步骤四：将弥散型三维燃料的芯体视为燃料颗粒在基体中打混后的均匀材料，根据一维颗粒球的几何模型4即燃料颗粒占芯体的体积份额v，计算燃料芯体2的等效热力学物性，并对三维燃料元件开展热
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力耦合计算，考虑燃料元件的蠕变以及塑性变形，得到三维燃料元件的温度及应力的分布；燃料芯体2的等效热力学物性可根据公开本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对弥散型燃料多颗粒特性的数值模拟方法，其特征在于：针对弥散型核燃料元件，采用三维等效燃料元件的几何模型计算燃料元件整体性能，同时采用一维颗粒球的几何模型计算多颗燃料颗粒的性能，最终实现一维颗粒球的几何模型与三维等效燃料元件的几何模型的耦合；该方法包括以下步骤：步骤一：根据工况的设定，分别建立三维等效燃料元件与一维颗粒球的几何模型；其中三维等效燃料元件的几何模型包括均匀的燃料芯体以及包壳，一维颗粒球的几何模型包括燃料颗粒、反应层和基体层；步骤二：指定一维颗粒球的数量及其所处的三维等效燃料元件中的位置；步骤三：计算当前时间步的燃耗；步骤四：将弥散型三维燃料的芯体视为燃料颗粒在基体中打混后的均匀材料，根据燃料颗粒占芯体的体积份额v，计算芯体的等效热力学物性，并对三维燃料元件开展热
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力耦合计算，考虑三维燃料元件的蠕变以及塑性变形，得到三维燃料元件的温度及应力的分布；...

【专利技术属性】
技术研发人员：秋穗正，向烽瑞，巫英伟，贺亚男，章静，田文喜，苏光辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：