申请/专利权人：西安交通大学;中国核电工程有限公司

申请日：2023-10-30

公开（公告）日：2024-02-06

公开（公告）号：CN117524331A

主分类号：G16C20/10

分类号：G16C20/10;G01N13/00;G01N33/00;G06F30/28;G06F113/08

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.02.27#实质审查的生效;2024.02.06#公开

摘要：本发明公开了一种可裂变水溶液系统二维辐解气体空泡份额分布计算方法，涉及核与辐射安全技术领域。该方法将圆柱形容器的内部空腔区域进行轴向和径向分区，并将溶液中的辐解气泡依据其形核后的行为分为两组气泡，考虑了辐解气泡的形核、生长和迁移过程。与现有技术相比，本发明方法在避免两相流动模拟的同时，考虑了更加具体的辐解气体行为过程，能够快速准确地进行溶液系统核临界事故安全分析，为溶液系统相关的核临界安全事故辐射防护设计、反应堆设计提供参数依据。

主权项：1.一种可裂变水溶液系统二维辐解气体空泡份额分布计算方法，其特征在于，包括如下步骤：1确定溶液系统几何结构参数、材料物性、网格划分参数、单位能量氢气产生量G，单位为：molJ，搅浑系数Dmix，单位为：m2s，以及气泡相关参数；根据输入参数划分网格，确定各网格坐标位置和尺寸；确定系统功率分布P，单位为：W，以及温度分布T，单位为：℃，其中P和T为控制体内的物理量，均随时间和空间变化；2溶液中的辐解气泡分为三种：形核气泡、溶解气泡和生长气泡；形核气泡为沿裂变碎片运动轨迹产生的气泡，依据其在溶液中的是否生长分为两组气泡，其中形核气泡和溶解气泡为第一组气泡，生长气泡为第二组气泡，气泡的以下信息均需要利用矩阵存储，以体现变量二维空间分布特性：a.两组气泡的半径，r1、r2，单位为：m；b.两组气泡的流速，vb1、vb2，单位为：ms；c.两组气泡的数量密度，Nb1、Nb2，单位为：个m3；d.两组气泡的单位体积气体物质量，Ng1、Ng2，单位为：molm3；e.控制体内两组气泡的体积，Vg1、Vg2，单位为：m3；f.两组气泡的气体密度，ρg1、ρg2，单位为：kgm3；g.形核气泡的半径r0，单位为m；形核气泡的平衡浓度Ceq0，单位为molm3；第一组气泡溶解时间τ1，单位为s；h.生长气泡的平衡浓度Ceq2，单位为molm3；生长气泡与溶液之间的气液相间界面面积密度A，单位m3；生长气泡与溶液之间的气液相间界面传质系数KD，单位ms；3采用上标0和last标记相关参数的初始值和上一时刻数值；从0时刻开始计算，液位为h0，液面所在网格轴向位置编号NL0；辐解气体浓度C0和均取0，溶液压力Pl0取为大气压；溶液速度uR、vZ取0；根据圆柱状容器内径Rin、外径Rout和液位h0和溶液初始密度计算初始时刻溶液总质量将上一时刻数值赋值为初始时刻数值；4根据Pl、Ng1、Ng2、Nb1、Nb2，基于理想气体状态方程，迭代计算r1、r2；根据r1、r2计算两组辐解气泡体积Vg1、Vg2；根据Vg1、Vg2和控制体体积VC，计算空泡份额α；令j≥NL时，βi,j＝0，以用于计算步骤8中，液位所在的网格位置编号；5根据溶液压力Pl和前一时刻的溶液速度基于动量守恒方程及相应边界条件，计算溶液流速uR′、uZ′；根据uR′、uZ′和基于连续性方程，计算溶液运动导致的密度变化Δρlacceleration；根据α与αlast的差值Δα和上一时刻溶液密度计算辐解气泡可压缩性导致的密度变化Δρlgascompression；根据Δρlacceleration和Δρlgascompression计算溶液密度变化Δρl，并根据计算溶液密度ρl；该步骤仅计算编号NL0以下的网格区域内物理量，对于j≥NL0的网格区域，ρli,j＝ρlTi,j；6根据Pl、Vg1、Vg2、r1、r2，计算编号NL0以下的网格区域内，气液混合物的等温压缩系数κ和等压膨胀系数β；7根据T与Tlast的差值ΔT、κ、β、Δρ，基于气液混合物状态方程，计算获得编号NL0以下的网格区域内压力变化ΔPl，其他区域则始终假定ΔPl＝0；基于ΔPl和上一时刻的压力Pllast，计算溶液压力Pl′；8根据步骤4获得的α和步骤5获得的ρl，沿轴向从下至上对各控制体内溶液质量求和，计算第J层网格以下的溶液总质量mJ，直至mJ-1＜m0＜mJ，获得当前时刻液位的位置编号NL′＝J；基于溶液总质量守恒，计算液位h；根据m0、mNL′、mNL′-1、NL和NL′，重新给出空泡份额分布α′；更新空泡份额和溶液压力，令α＝α′，Pl＝Pl′；9通过重复步骤4到8，直至迭代前后的控制体内溶液压力相对误差最大值εp满足收敛要求，实现溶液流速、溶液压力、空泡份额、液位和气泡半径的耦合计算；10根据NLlast和NL′，根据上一时刻物理量和Clast，获得液位变化后物理量的重新分布：和Clast″；根据NL、NLlast和NL′，给出NL与NL′之间的气泡半径r0、r1、r2；更新液位的位置编号，令NL＝NL′；11计算编号NL以下网格区域内，步骤2中c、d以外的物理量；根据气泡半径r0、r2，溶液压力Pl，Herry常数H和表面张力σ分别计算平衡浓度Ceq0、Ceq2；根据半径r1、r2和压力Pl分别计算两组气泡的气体密度ρg1和ρg2，并根据这些参数和溶液密度ρl，依次计算流速vb1和vb2；根据r2、Nb2、vb2和溶液流速uR、uZ，计算相间界面传质系数KD；根据r2、Nb2，计算相间界面面积密度A；12根据上述步骤获得的参数α、Pl、r0、Ceq、vb、KD、A，以及输入参数G、Dmix、P、T，构建Ng1、Ng2、Nb1、Nb2和C的微分方程方程；根据NL确定液位位置，并给出边界条件；根据步骤10计算的和Clast′，计算当前时刻编号NL以下的网格区域内的物理量，Ng1、Ng2、Nb1、Nb2和C，对于编号NL及其以上区域，所有物理量数值取0；13通过重复步骤4到12，重复构建并求解步骤12中的线性微分方程组，以实现方程组之间的耦合计算，直至NL＝NL′，且两次迭代的Ng1、Ng2、Nb1、Nb2和C相对误差最大值ε满足收敛要求；14将当前时刻计算值作为上一时刻的值，更新刻物理量：αlast、Tlast、和Clast输出α和T用于反应性反馈计算；15从零时刻开始，推进时间步，重复输入不同时刻的功率P、T，并按照步骤4到14不断进行计算，直至达到瞬态计算所需时刻。

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