松弛型双压力两流体模型及算法的研究进展

准确的两相流模型是核反应堆安全分析的重要基础。当前主流核反应堆热工水力程序所采用的经典两流体六方程模型存在不适定的问题。有效的解决方法是恢复汽液两相压力非平衡并增加体积输运微分方程，形成双压力七方程模型。此外为描述相间界面的多维运动现象引入松弛项，提出松弛型双压力模型的概念。本文阐述了针对轻水堆松弛型双压力模型的建立方法，探讨了相间界面压力松弛和速度松弛过程的处理方法及意义，梳理了两相流动相间界面的计算方法，并介绍了模型的数值求解方法。文中通过特征值分析验证了得到的松弛型双压力七方程模型绝对适定，可以解决原有单压力模型不适定的问题。本文总结现有研究，分析松弛型双压力两相流模型的未来发展方向，为后续研究提供理论参考。     

热工水力系统程序中数值水锤问题研究

基于两流体六方程的热工水力系统程序在计算蒸汽即将从控制体中消失或水即将充满控制体工况时,由于空泡份额较小的两相混合物和纯液相之间可压缩性的不连续变化以及离散动量方程的离散方法,可能会出现虚拟的压力峰值,即数值水锤现象。本文以热工水力系统分析程序RELAP5为参考对数值水锤问题的缓解方案进行了分析研究,给出了详细的检测逻辑以及修正方案,并应用于普赖尔管问题和冷凝实验工况的计算分析。结果显示,数值水锤缓解方案的启用能够缓解两流体程序中针对该类问题由于数值方法带来的压力瞬态效应,从而能够明显地降低压力峰值,避免了严重扭曲瞬态解的出现。数值水锤缓解方案减缓这一虚拟压力峰值,有利于提高程序计算的稳定性;针对该问题此方法可为同类型系统程序的开发及模型优化提供参考。      

基于JFNK的两流体三流场两相流模型的全隐算法研究

目前以两流体三流场两相流模型为数学模型的核反应堆安全分析程序大都采用半隐数值算法，数值稳定性受声速库伦特值的影响。少数以两流体三流场模型和全隐数值算法为基础的程序，采用经典牛顿迭代法求解，雅克比矩阵形成具有一定的难度。为了改善数值算法的稳定性且避免书写雅克比矩阵，一种无需形成雅克比矩阵的牛顿-Krylov迭代法（Jacobian-free Newton-Krylov,JFNK）被用于两相流全隐数值算法。两流体三流场两相流模型分别对汽相、液相和液滴相建立守恒方程，使用基于交错网格和有限体积差分全隐式离散守恒方程，线性方程组使用JFNK算法求解，当相缺失时，给缺失相一个很小的份额，以解决使用三流场模型计算单相、两相两流场时遇到的数值问题。程序模拟了Ransom水龙头数值基准题、过冷沸腾实验和Dryout传热实验，以验证了数值处理的可行性、数值算法的精度以及程序计算单相、单相到两相过渡以及两相流型之间过渡的可行性和模型计算精度。结果表明：数值算法精度较高，在从单相水、泡状流、弹状流、环雾流、弥散流等流型过渡时都表现得很好。     

两相流模型在直流蒸汽发生器热工水力分析中的比较研究

根据组成气液两相流基本场方程数量所反映的流动与传热特性的不同,两相流方程分为三方程、四方程、五方程和六方程模型,结合流动压降模型、传热模型、两相相互作用模型以及流动工质的状态参数和结构材料热物性等辅助关系式,可很好地对蒸汽产生系统进行设计和研究分析。本文分析了不同数量的两相流场方程的特点和局限性,结合直管式直流蒸汽发生器实验装置,分别选取最佳估算程序中4种不同的两相流场方程计算模型进行流动传热计算分析,重点比较了强制流动的单相过冷水被加热至单相过热蒸汽过程中的压力与传热特性,从而给出不同场方程的两相流模型在分析具有较大相变过程中的差异性,验证了RELAP5程序和RETRAN-3D程序计算分析直流蒸汽发生器的能力。结果表明,RELAP5程序的六方程模型更适合模拟直流蒸汽发生器。     

COSINE子通道均相流分析程序的研发

COSINE一体化软件包的子通道安全分析程序cosSubc基于子通道控制体三维网格模型,采用轴向及横向的热工水力控制方程,包括两流体和均相流两种求解算法。本文介绍了子通道均相流程序的物理模型和数值算法,并用cosSubc均相流程序和参考程序COBRA-TF分别对典型1 000MW核电厂稳态算例进行计算分析,结果表明:cosSubc均相流程序与COBRA-TF吻合较好,具备堆芯子通道的热工水力计算能力。     

基于MOOSE框架的五方程两相流分析程序开发

基于多物理场耦合框架MOOSE,采用五方程两相流模型开发了模块化程序ZEBRA,实现了高阶时间、空间离散格式两相流动传热问题的求解。采用Bartolomei开展的垂直圆管过冷沸腾实验对ZEBRA进行验证,在不同热流密度、质量流密度、压力工况下,将程序计算值与实验值进行了数值验证和计算分析。结果表明：ZEBRA中五方程模型预测值与实验值符合良好,沸腾起始点和空泡份额的预测合理,表明ZEBRA初步具备了处理两相流问题的能力。     

基于MOOSE框架的五方程两相流分析程序开发

基于多物理场耦合框架MOOSE,采用五方程两相流模型开发了模块化程序ZEBRA,实现了高阶时间、空间离散格式两相流动传热问题的求解。采用Bartolomei开展的垂直圆管过冷沸腾实验对ZEBRA进行验证,在不同热流密度、质量流密度、压力工况下,将程序计算值与实验值进行了数值验证和计算分析。结果表明:ZEBRA中五方程模型预测值与实验值符合良好,沸腾起始点和空泡份额的预测合理,表明ZEBRA初步具备了处理两相流问题的能力。     

改进型低温供热堆二次侧非能动余热排出系统不稳定性分析

研究了改进型低温供热堆非能动余热排出系统不稳定性问题。采用RELAP5程序计算分析了非能动余热排出系统瞬态响应情况,余热排出系统冷凝管内由于压力与两相段长度不匹配出现冷凝两相流不稳定性。采用RELAP5程序数值计算所得冷凝流动稳定性边界与Bhatt公式理论分析结果符合良好。增大冷凝管入口节流,增加冷凝管流通面积、换热面积,可以避免冷凝流动不稳定性。     

钠冷快堆单个燃料组件冷却剂沸腾的数值模拟

在正常功率下快堆单个燃料组件的瞬间完全堵流可能会产生相当严重的后果 ,对其后续事故序列及其潜在的破坏能力进行预测是必要的。对模拟这种现象的SCARABEEBE +1实验在包壳流动之前的阶段进行了数值模拟。程序中采用了两流体、六方程模型来描述沸腾及两相流动 ,应用子通道方法来对基本方程进行离散化 ,以半隐数值方法进行了求解。计算结果与实验观测相吻合 ,这表明该程序可以比较准确地预测单个燃料组件在瞬间完全堵流之后 ,包壳流动之前的行为。     

CATHARE—2／V1．5程序简介

CATHARE－2／V1．5程序是一个具有50万余行的大型瞬态热工水力计算程序。该程序使用最佳估算方法。利用汽液两相流体6方程求解流体的质量、能量和,同时具有CCFL模型、SGTR模型、三维流体模型和非冷凝气体模型。在工程上具有比较宽的使用范围,但主要适用于LOCA分析。CATHARE－2／V1．5是在实验验证和运行经验反馈的基础上不断改进和完善的最新版本,通过适当的工作之后,该程序特别适用于设计长寿期换料型反应堆。