一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统，其中仿真方法包括建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型，进行网格划分并标记螺旋管建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组，离散第一控制方程组，建立壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组，离散第二控制方程组；设定壳侧和管侧的边界条件，初始化壳侧、管侧流场及温度场；对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。本发明专利技术的仿真方法壳侧采用多孔介质模型模拟螺旋管束复杂结构，降低网格数量，避免了对螺旋管束进行全尺寸几何建模及网格划分所带来的巨大工作量与计算资源需求。资源需求。资源需求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统


[0001]本专利技术属于高温气冷堆
，特别涉及一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]高温气冷堆具有固有安全、系统简化、连续装卸燃料、模块化建造等一系列突出优势，成为了第四代核能系统的优选堆型。螺旋管式换热器因其结构紧凑、吸收热膨胀等优点，被广泛应用于高温气冷堆蒸汽发生器和中间换热器。作为一回路压力边界的同时起到壳侧、管侧热量交换的重要作用，对于反应堆的安全性与经济性具有重要意义。螺旋管式换热器中包含有数量众多的螺旋管，具有长、薄、螺旋弯曲的结构特点，其两侧分布有高温、高压、高速流体，以逆向对流传热形式实现热量交换。在役期间容易受到流致振动、周期性热应力、材料腐蚀等物理和化学作用的影响，可能会出现螺旋管破裂事故，进而导致一回路泄漏、放射性外逸等后果。因此，高温气冷堆螺旋管式蒸发器及换热器热工水力特性在反应堆安全及换热器设计中十分重要。为获得各类工况下温度、压力、流速、对流换热系数等基础热工水力参数的分布，开发适用于螺旋管式蒸发器及换热器的热工水力仿真方法具有重要意义。
[0003]螺旋管式蒸发器及换热器热工水力特性分析存在诸多困难。首先，传统的针对压水堆U型管蒸发器及化工领域换热器的仿真模拟仍以集总参数模型为主，侧重于换热器整体流动、换热特性，而无法获得螺旋管束内部精细的流场、温度场分布；其次，螺旋管式换热器体积庞大，建模工作量及仿真所用计算资源过大，目前CFD(Computationa lFluid Dynamics，计算流体动力学)软件无法对其热工水力特性进行直接计算分析。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统，采用以下技术方案：
[0005]一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，包括：
[0006]根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型；
[0007]对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管；
[0008]基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组；
[0009]离散第一控制方程组；
[0010]基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组；
[0011]离散第二控制方程组；
[0012]设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件；
[0013]根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场；
[0014]对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。
[0015]进一步的，根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型具体如下：
[0016]根据换热装置内筒直径建立第一圆柱筒体模型；
[0017]根据换热装置外筒直径建立与第一圆柱筒体模型同心的第二圆柱筒体模型，其中，第二圆柱筒体模型的直径大于第一圆柱筒体模型直径；
[0018]根据螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距建立螺旋管束模型，螺旋管束模型位于第二圆柱筒体模型的内壁与第一圆柱筒体模型的外壁之间；
[0019]将第一圆柱筒体模型与第二圆柱筒体模型之间区域全部简化为多孔介质几何模型，获得简化螺旋管式换热装置三维模型。
[0020]进一步的，对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管具体如下：
[0021]在简化螺旋管式换热装置三维模型中，将多孔介质几何模型的壳侧、管侧划分为三维多孔介质网格；
[0022]在三维多孔介质网格中，将每根螺旋管路径扫掠的六面体网格标记为管侧螺旋管所在区域。
[0023]进一步的，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型具体如下：
[0024]定义网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中管侧流体为一维流动，管侧流体温度仅沿轴向变化，单根螺旋传热管内部轴向各横截面质量流量相同；
[0025]定义管侧热力学和热迁移物性参数仅与当前环境温度、环境压力有关；
[0026]定义壳侧、管侧均为强制对流换热，将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。
[0027]进一步的，第一控制方程组包括管侧稳态一维连续性方程、管侧一维动量守恒方程和管侧一维能量守恒方程。
[0028]进一步的，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型具体如下：
[0029]将网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中的螺旋管体积之和视为固体体积，将第一圆柱筒体模型和第二圆柱筒体模型之间的环形空间总体积与固体体积之差为流体体积；
[0030]通过多孔介质体积孔隙率表征流体流动的流体体积与环形空间总体积之比；
[0031]通过表面渗透率表征网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中网格表面流通面积相较于总面积的百分数；
[0032]通过Idelchik提出的横掠螺旋管束流动阻力经验关联式计算确定多孔介质流动阻力系数；
[0033]通过Zukaskas与Ulinskas提出的经验关联式计算确定多孔介质对流换热系数；
[0034]将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。
[0035]进一步的，第二控制方程组包括稳态三维连续性方程、三维动量守恒方程和三维能量守恒方程。
[0036]进一步的，设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件具体如下：
[0037]设定壳侧进口流体质量流量或进口速度，设定壳侧进口流体进口温度，设定壳侧进口流体进口压力；
[0038]设定管侧进口流体质量流量或进口速度，设定管侧进口流体进口温度，设定管侧进口流体进口压力。
[0039]进一步的，根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场具体如下：
[0040]通过壳侧进口流体的速度、压力、温度和密度初始化壳侧流场；通过管侧进口流体的速度、压力、温度和密度初始化螺旋管内表面边界条件。
[0041]进一步的，对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布具体如下：
[0042]假设壳侧、管侧初始速度场和压力场；
[0043]管侧求解离散第一控制方程组，获得管侧所有计算节点对应离散第一控制方程组系数和常数项；
[0044]壳侧采用SIMPLE算法求解离散第二控制方程组，获得壳侧所有计算节点对应离散第二控制方程组系数和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，包括：根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型；对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管；基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组；离散第一控制方程组；基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组；离散第二控制方程组；设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件；根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场；对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。2.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型具体如下：根据换热装置内筒直径建立第一圆柱筒体模型；根据换热装置外筒直径建立与第一圆柱筒体模型同心的第二圆柱筒体模型，其中，第二圆柱筒体模型的直径大于第一圆柱筒体模型直径；根据螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距建立螺旋管束模型，螺旋管束模型位于第二圆柱筒体模型的内壁与第一圆柱筒体模型的外壁之间；将第一圆柱筒体模型与第二圆柱筒体模型之间区域全部简化为多孔介质几何模型，获得简化螺旋管式换热装置三维模型。3.根据权利要求2所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管具体如下：在简化螺旋管式换热装置三维模型中，将多孔介质几何模型的壳侧、管侧划分为三维多孔介质网格；在三维多孔介质网格中，将每根螺旋管路径扫掠的六面体网格标记为管侧螺旋管所在区域。4.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型具体如下：定义网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中管侧流体为一维流动，管侧流体温度仅沿轴向变化，单根螺旋传热管内部轴向各横截面质量流量相同；定义管侧热力学和热迁移物性参数仅与当前环境温度、环境压力有关；定义壳侧、管侧均为强制对流换热，将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合
。
5.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，第一控制方程组包括管侧稳态一维连续性方程、管侧一维动量守恒方程和管侧一维能量守
恒方程。6.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型具体如下：将网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中的螺旋管体积之和视为固体体积，将第一圆柱筒体模型和第二圆柱筒体模型之间的环形空间总体积与固体体积之差为流体体积；通过多孔介质体积孔隙率表征流体流动的流体体积与环形空间总体积之比；通过表面渗透率表征网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中网格表面流通面积相较于总面积的百分数；通过Idelchik提出的横掠螺旋管束流动阻力经验关联式计算确定多孔介质流动阻力系数；通过Zukaskas与Ulinskas提出的经验关联式计算确定多孔介质对流换热系数；将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。7.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，第二控制方程组包括稳态三维连续性方程、三维动量守恒方程和三维能量守恒方程。8.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件具体如下：设定壳侧进口流体质量流量或进口速度，设定壳侧进口流体进口温度，设定壳侧进口流体进口压力；设定管侧进口流体质量流量或进口速度，设定管侧进口流体进口温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓伟，吴莘馨，张作义，董玉杰，秦亥琦，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：