一种基于等效理论的棱柱式燃料组件的温度计算方法及装置与流程

本发明涉及反应堆堆芯热工水力设计领域，具体涉及一种基于等效理论的棱柱式燃料组件的温度计算方法及装置。

背景技术：

1、典型的六棱柱型燃料组件如图1所示，燃料通道和冷却剂通道分开布置在基体中，燃料棒布置在燃料通道中，燃料棒和燃料通道形状为圆柱体，燃料棒直径略小于燃料通道，通道的入口和出口封闭，燃料棒与燃料通道之间的气隙封装一些气体；冷却剂通道为圆管通道，冷却剂自入口流入，自出口流出。六棱柱型燃料组件的燃料通道和冷却剂通道的布置方式有一定规律，六棱柱型燃料组件的结构单元如图2所示，当燃料通道位于中心位置时，由两个冷却剂孔道冷却一个燃料棒，当冷却剂通道位于中心位置时，由一个冷却剂通道冷却两个燃料棒。

2、为了计算六棱柱型燃料组件的基体温度和燃料棒温度，目前有两种方法。一种是使用三维分析软件，根据组件的几何形状、燃料通道和冷却剂通道的实际位置建立组件的详细模型，然后进行网格划分，进而计算整个组件的温度分布，该方法极易受到用户效应的影响，不同的网格划分方式可能得到差异较大的结果。另外一种方法是将带有燃料棒的组件基体当做均匀发热的释热体，利用冷却剂通道的分布规律，采用近似解析解的方式计算释热体的最大温度，该方法不能很好的区分燃料组件基体的温度和燃料棒的温度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种简单且有效计算燃料组件基体温度和燃料温度的基于等效理论的棱柱式燃料组件的温度计算方法，还相应提供一种实现该方法的基于等效理论的棱柱式燃料组件的温度计算装置。

2、解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

3、本发明提供一种基于等效理论的棱柱式燃料组件的温度计算方法，包括：

4、将棱柱式燃料组件的结构单元的几何中心部分等效为第一圆柱模型，根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，将结构单元的几何边缘部分等效为n个第二圆柱模型，其中，n为自然数，并根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定第一圆柱模型和第二圆柱模型之一为燃料棒传热模型，另一为冷却剂传热模型，所述燃料棒传热模型包括燃料棒和套设于燃料棒外的第一基体环，燃料棒和第一基体环之间具有间隙，第一基体环的外壁面具有第一边界，所述冷却剂传热模型包括第二基体环，第二基体环围合的空间形成冷却剂通道，第二基体环的外壁面具有第二边界，

5、针对燃料棒传热模型建立燃料棒传热方程，针对冷却剂传热模型建立冷却剂传热方程，设定第一边界和第二边界的温度相等，且根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定第一边界的输出热流与第二边界的输入热流的对应关系，

6、根据结构单元的结构尺寸，确定燃料棒传热模型和冷却剂传热模型的结构尺寸，

7、获取结构单元的冷却剂通道壁面温度和燃料棒体积释热率，对燃料棒传热方程和冷却剂传热方程进行耦合求解，得到所述结构单元的温度分布。

8、可选地，所述根据结构单元的结构尺寸，确定燃料棒传热模型和冷却剂传热模型的结构尺寸，具体包括：

9、获取设定的冷却剂通道壁面温度和燃料棒体积释热率所对应的结构单元的实际温度分布，

10、获取多个冷却剂传热模型中第二基体环占结构单元基体的比例f1，针对每一f1，根据所述结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律和f1计算燃料棒传热模型中第一基体环占结构单元基体的比例f2，并根据结构单元的结构尺寸和f1计算冷却剂传热模型的半径r1，根据结构单元的结构尺寸和f2计算燃料棒传热模型的半径r2；或，获取燃料棒传热模型中第一基体环占结构单元基体的比例f2，针对每一f2，根据所述结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律和f2计算冷却剂传热模型中第二基体环占结构单元基体的比例f1，并根据结构单元的结构尺寸和f1计算冷却剂传热模型的半径r1，根据结构单元的结构尺寸和f2计算燃料棒传热模型的半径r2，

11、针对每一f1以及与之对应的r1和r2，通过所述燃料棒传热方程和冷却剂传热方程进行耦合求解，得到设定的冷却剂通道壁面温度和燃料棒体积释热率所对应的结构单元的计算温度分布，

12、从计算所得的多个结构单元的计算温度分布中选取与结构单元的实际温度分布最接近的计算温度分布，将其所对应的r1和r2，分为作为冷却剂传热模型和燃料棒传热模型的最终半径。

13、可选地，根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，将结构单元的几何边缘部分等效为n个第二圆柱模型，具体包括：

14、根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定结构单元内燃料通道和冷却剂通道个数的比例a，或棱柱式堆芯内冷却剂通道和燃料通道个数的比例b，选取a和b中的自然数作为n，将结构单元的几何边缘部分等效为n个第二圆柱模型。

15、可选地，根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定第一圆柱模型和第二圆柱模型之一为燃料棒传热模型，另一为冷却剂传热模型，具体包括：

16、根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，当结构单元的燃料通道位于中心位置时，确定第一圆柱模型为燃料棒传热模型，第二圆柱模型为冷却剂传热模型，当结构单元的冷却剂通道位于中心位置时，确定第一圆柱模型为冷却剂传热模型，第二圆柱模型为燃料棒传热模型。

17、可选地，根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定第一边界的输出热流与第二边界的输入热流的对应关系，具体包括：

18、当结构单元的燃料通道位于中心位置时，确定第一边界的输出热流j1与第二边界的输入热流j2的对应关系为：j1＝n×j2；

19、当结构单元的冷却剂通道位于中心位置时，确定第一边界的输出热流j1与第二边界的输入热流j2的对应关系为：j1＝j2/n。

20、可选地，所述棱柱式燃料组件为六棱柱式燃料组件，所述n为2。

21、本发明还提供一种基于等效理论的棱柱式燃料组件的温度计算装置，包括：

22、等效建模模块，用于将棱柱式燃料组件的结构单元的几何中心部分等效为第一圆柱模型，且根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，将结构单元的几何边缘部分等效为n个第二圆柱模型，其中，n为自然数，并根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定第一圆柱模型和第二圆柱模型之一为燃料棒传热模型，另一为冷却剂传热模型，所述燃料棒传热模型包括燃料棒和套设于燃料棒外的第一基体环，燃料棒和第一基体环之间具有间隙，第一基体环的外壁面具有第一边界，所述冷却剂传热模型包括第二基体环，第二基体环围合的空间形成冷却剂通道，第二基体环的外壁面具有第二边界，

23、传热方程建立模块，用于针对燃料棒传热模型建立燃料棒传热方程，针对冷却剂传热模型建立冷却剂传热方程，并设定第一边界和第二边界的温度相等，且根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定第一边界的输出热流与第二边界的输入热流的对应关系，

24、模型尺寸确定模块，用于根据结构单元的结构尺寸，分别确定燃料棒传热模型和冷却剂传热模型的结构尺寸，

25、计算模块，获取结构单元的冷却剂通道壁面温度和燃料棒体积释热率，对燃料棒传热方程和冷却剂传热方程进行耦合求解，得到所述结构单元的温度分布。

26、可选地，所述模型尺寸确定模块包括获取模块、参数计算模块、求解模块和选取模块，

27、所述模型尺寸确定模块根据结构单元的结构尺寸，确定燃料棒传热模型和冷却剂传热模型的结构尺寸，具体包括：

28、获取模块获取设定的冷却剂通道壁面温度和燃料棒体积释热率所对应的结构单元的实际温度分布，

29、参数计算模块获取多个冷却剂传热模型中第二基体环占结构单元基体的比例f1，针对每一f1，根据所述结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律和f1计算燃料棒传热模型中第一基体环占结构单元基体的比例f2，并根据结构单元的结构尺寸和f1计算冷却剂传热模型的半径r1，根据结构单元的结构尺寸和f2计算燃料棒传热模型的半径r2；或，获取燃料棒传热模型中第一基体环占结构单元基体的比例f2，针对每一f2，根据所述结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律和f2计算冷却剂传热模型中第二基体环占结构单元基体的比例f1，并根据结构单元的结构尺寸和f1计算冷却剂传热模型的半径r1，根据结构单元的结构尺寸和f2计算燃料棒传热模型的半径r2，

30、求解模块针对每一f1以及与之对应的r1和r2，通过所述燃料棒传热方程和冷却剂传热方程进行耦合求解，得到设定的冷却剂通道壁面温度和燃料棒体积释热率所对应的结构单元的计算温度分布，

31、选取模块从计算所得的多个结构单元的计算温度分布中选取与结构单元的实际温度分布最接近的计算温度分布，将其所对应的r1和r2，分为作为冷却剂传热模型和燃料棒传热模型的最终半径。

32、可选地，所述等效建模模块根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，将结构单元的几何边缘部分等效为n个第二圆柱模型，具体包括：

33、根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定结构单元内燃料通道和冷却剂通道个数的比例a，或棱柱式堆芯内冷却剂通道和燃料通道个数的比例b，选取a和b中的自然数作为n，将结构单元的几何边缘部分等效为n个第二圆柱模型。

34、可选地，所述等效建模模块根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定第一圆柱模型和第二圆柱模型之一为燃料棒传热模型，另一为冷却剂传热模型，具体包括：

35、根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，当结构单元的燃料通道位于中心位置时，确定第一圆柱模型为燃料棒传热模型，第二圆柱模型为冷却剂传热模型，当结构单元的冷却剂通道位于中心位置时，确定第一圆柱模型为冷却剂传热模型，第二圆柱模型为燃料棒传热模型。

36、可选地，所述等效建模模块根据结构单元内燃料通道和冷却剂通道的布置规律，确定第一边界的输出热流与第二边界的输入热流的对应关系，具体包括：

37、当结构单元的燃料通道位于中心位置时，确定第一边界的输出热流j1与第二边界的输入热流j2的对应关系为：j1＝n×j2；

38、当结构单元的冷却剂通道位于中心位置时，确定第一边界的输出热流j1与第二边界的输入热流j2的对应关系为：j1＝j2/n。

39、可选地，所述棱柱式燃料组件为六棱柱式燃料组件，所述n为2。

40、本发明中，通过将棱柱式燃料组件的结构单元等效为以燃料棒为中心的传热模型和以冷却剂为中心的传热模型(燃料棒传热模型和冷却剂传热模型的数量由结构单元内燃料棒和冷却剂通道的数量来确定)，对二者分别建立传热方程，并通过边界层的热流来耦合求解，两个传热模型耦合求解时，两者最外层边界上温度一样，从燃料棒传热模型表面传出的热的二分之一(或两倍)作为冷却剂传热模型的热流输入，从而利用解析解的方式得到了组件内基体的最高温度和燃料棒的最高温度。实践表明，本发明提供的等效理论求解方法简单有效，等效模型计算所得的温度与真值(经过验证的计算值或实验值)偏差很小。