【技术实现步骤摘要】
本公开属于核电，具体涉及一种压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的多尺度耦合确定方法及装置。
技术介绍
1、相关技术中，对压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的分析方法一般有两种：1.采用cfd(计算流体力学)宏观模拟，如使用openfoam，ansys fluent等模型求解燃料棒表面流动及热力状态；2.采用微介观尺度多物理场耦合代码求解，如采用boa，mamba等；其中cfd方法擅长处理较大尺度的问题，而根据实际检测，燃料棒表面的污垢沉积层厚度在微米量级，此时采用宏观cfd方法处理污垢沉积层比较困难；相比之下，采用微介观尺度多物理场耦合代码可以从原理层面反映分析污垢沉积层的沉积过程，计算速度较快且可随压水反应堆实际运行状态实时改变模拟条件，是一种高效的安全评估手段。然而，现有的微介观尺度多物理场耦合代码在分析污垢沉积过程时，所采用的沉积物、冷却液等材料物性参数大多取经验数值，这就使得其应用范围较小，无法灵活地运用到具体的运行场景中；同时，常用的代码(例如boa)并未考虑冷却液湍流带来的沉积层侵蚀，使得分析预测结果不准确。
技术实现思路
1、为克服相关技术中存在的问题，提供了一种压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的多尺度耦合确定方法及装置。
2、根据本公开实施例的一方面，提供一种压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的多尺度耦合确定方法，所述方法包括：
3、步骤1，根据压水反应堆的实际运行状况确定燃料棒的长度，对微介观尺度沉积层区域进行轴向以及径向的网格划分，设置
4、步骤2，在每一个时间步内，对燃料棒组件建模，确定燃料棒周围冷却液湍动能、冷却液温度的轴向分布；
5、步骤3，数值求解沉积层内的温度控制方程和压力控制方程，以得到污垢沉积层内部温度场和压力场；
6、步骤4，根据步骤3求解得到的污垢沉积层内部的温度场和压力场，确定燃料棒表面沉积物中的泡核沸腾热量；
7、步骤5，针对每个时间步，利用该时间步内沉积物沉积速率方程计算该时间步内燃料棒表面沉积物的沉积速率，从而得到该时间步内沉积物沉积厚度；沉积速率方程如下式所示：
8、
9、式中，为沉积层厚度增长速率，单位：m/s；η为冷却液中污垢颗粒的吸附概率；φp为与泡核沸腾、冷却液湍流搅混系数相关的通量；mp为污垢颗粒的摩尔质量，单位：kg/mol；ρcrud为沉积层的平均密度，单位：kg/m3；α为与冷却液湍流动能强度相关的沉积层侵蚀系数；δcrud为燃料棒表面已沉积的沉积层厚度，单位：m；其中，φp的计算方法如下式所示：
10、
11、式中，acell为计算网格单元的面积，单位：m2；achim.t为烟囱结构截面面积，单位：m2；qsnb,chim为沉积物内部的泡核沸腾热量；qsnb,surf为沉积物表面的泡核沸腾热量；kmp为湍流传质系数；cp为冷却液中的污垢颗粒浓度，单位：ppb；
12、步骤6，通过在每一迭代时间步内重复步骤2至步骤5得到该时间步内的厚度增长速率并更新沉积层厚度，直至达到要求的计算时间跨度。
13、在一种可能的实现方式中，在步骤2中，对燃料棒及其单元内冷却液区域建模并求解流动控制方程和温度控制方程，确定燃料棒及其单元湍动能、冷却液温度的轴向分布；对燃料棒上的定位格架进行建模，数值求解控制棒冷却液流动以及冷却液温度的质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程，得到燃料棒周围冷却液的湍动能以及温度的轴向分布。
14、在一种可能的实现方式中，在步骤3中，温度控制方程如下式所示：
15、
16、式中，为污垢沉积物的等效热传导率，单位：w/m·k；为污垢沉积物的等效体积热容量，单位：j/m3·k；t为温度，单位：k；τ为污垢沉积物的迂曲度；κ为污垢沉积物的渗透率；μw为冷却液的动力粘度，单位：pa·s；ε为孔隙率；p为压力，单位：pa；rc为沉积物内部芯沸结构中烟囱的半径，单位：m；nc为沉积物内部芯沸结构的烟囱数密度，单位：#/m2；he,chim为芯沸结构中烟囱表面的蒸发传热系数，单位：w/m2·k；tsat为冷却液饱和温度，单位：k；
17、温度控制方程的第一边界条件如下式所示：
18、
19、温度控制方程的第二边界条件如下式所示：
20、
21、式中，q′c′lad为燃料棒上的热通量，单位：w/m2；fr为雷诺系数；hc为沉积层表面的对流传热系数，单位：w/m2·k；tb为步骤2确定的冷却液温度，单位：k；sfc为抑制因子；ssub为沸腾因子；he,surf为沉积层表面蒸发热系数，单位：w/m2·k；
22、沉积层内部的压力控制方程如下式所示：
23、
24、式中，hfg为冷却液的气化焓，单位：j/mol；ρw为冷却液的密度，单位：kg/m3；压力控制方程的边界条件如下式所示：
25、
26、p＝pb
27、式中，pb为冷却液压力，单位：pa；在求解压力控制方程时需使用温度控制方程求解得到的沉积层内温度分布，压力控制方程的稳态求解结果同样用于下一个时间步的温度方程求解。
28、在一种可能的实现方式中，在步骤3中，采用有限差分法对温度控制方程和压力控制方程进行离散，在沉积层内部径向划分网格进行一维求解，并根据沉积层内部压力梯度方向采用不同差分格式：当毛细流动方向为由冷却液区域流向沉积层内部时，对控制方程对流项采用向前差分格式；当毛细流动方向为由沉积层流向冷却液区域时，对控制方程对流项采用向后差分格式。
29、根据本公开实施例的另一方面，提供一种压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的多尺度耦合确定装置，所述装置包括：
30、第一确定模块，用于根据压水反应堆的实际运行状况确定燃料棒的长度，对微介观尺度沉积层区域进行轴向以及径向的网格划分，设置初始边界条件和初始状态，初始边界条件包括进口冷却液温度、燃料棒温度分布、燃料棒功率分布；初始状态包括各网格内的温度场、压力场以及燃料棒表面初始化预设厚度的污垢沉积；
31、第二确定模块，用于在每一个时间步内，对燃料棒组件建模，确定燃料棒周围冷却液湍动能、冷却液温度的轴向分布；
32、第三确定模块，用于数值求解沉积层内的温度控制方程和压力控制方程，以得到污垢沉积层内部温度场和压力场；
33、第四确定模块，用于根据第三确定模块求解得到的污垢沉积层内部的温度场和压力场，确定燃料棒表面沉积物中的泡核沸腾热量；
34、第五确定模块，用于针对每个时间步，利用该时间步内沉积物沉积速率方程计算该时间步内燃料棒表面沉积物的沉积速率，从而得到该时间步内沉积物沉积厚度；沉积速率方程如下式所示本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的多尺度耦合确定方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，对燃料棒及其单元内冷却液区域建模并求解流动控制方程和温度控制方程，确定燃料棒及其单元湍动能、冷却液温度的轴向分布；对燃料棒上的定位格架进行建模，数值求解控制棒冷却液流动以及冷却液温度的质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程，得到燃料棒周围冷却液的湍动能以及温度的轴向分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，温度控制方程如下式所示：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，采用有限差分法对温度控制方程和压力控制方程进行离散，在沉积层内部径向划分网格进行一维求解，并根据沉积层内部压力梯度方向采用不同差分格式：当毛细流动方向为由冷却液区域流向沉积层内部时，对控制方程对流项采用向前差分格式；当毛细流动方向为由沉积层流向冷却液区域时，对控制方程对流项采用向后差分格式。
5.一种压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的多尺度耦合确定装置，其特征在于，所述装置包括：p>
6.一种压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的多尺度耦合确定装置，其特征在于，所述装置包括：
7.一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1至4中任意一项所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种压水反应堆中燃料棒表面污垢沉积过程的多尺度耦合确定方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，对燃料棒及其单元内冷却液区域建模并求解流动控制方程和温度控制方程，确定燃料棒及其单元湍动能、冷却液温度的轴向分布；对燃料棒上的定位格架进行建模，数值求解控制棒冷却液流动以及冷却液温度的质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程，得到燃料棒周围冷却液的湍动能以及温度的轴向分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，温度控制方程如下式所示：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，采用有限差分法对温度控制方程和压力...
【专利技术属性】
技术研发人员：张志强，潘定一，王金鹤，雷水雄，秦建华，詹勇杰，代前进，范锡文，王森，李洪亮，黄旭，李根，
申请(专利权)人：中核核电运行管理有限公司，
类型：发明
国别省市：
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