本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆熱工計(jì)算領(lǐng)域，具體為一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、球床式高溫氣冷堆在超高溫運(yùn)行時(shí)，氦氣的出口溫度能達(dá)到1000℃以上；在超高溫條件下，反應(yīng)堆的安全性需要時(shí)刻得到保障。

2、球床式高溫氣冷堆堆內(nèi)固相物質(zhì)的分布的相對(duì)穩(wěn)定，而冷卻劑氦氣的分布和流動(dòng)情況較為復(fù)雜；氦氣在球床式高溫氣冷堆堆內(nèi)的一回路流動(dòng)需要經(jīng)過(guò)有反射層石墨塊內(nèi)的孔道構(gòu)成的冷卻劑流動(dòng)通道以及堆芯燃料球間間隙構(gòu)成多孔介質(zhì)通道；由于堆芯球流的不確定性和堆芯散體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，堆內(nèi)冷卻劑流動(dòng)路徑具有一定的不確定性。并且氦氣流經(jīng)堆芯后的溫升通常能夠達(dá)到500℃，氦氣在流動(dòng)過(guò)程中的溫度變化較大。因此氦氣的溫度計(jì)算空間上涉及反射層流道區(qū)域以及堆芯流道區(qū)域，溫度場(chǎng)變化劇烈；根據(jù)球床式高溫氣冷堆的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與流道特征，建立快速的準(zhǔn)確的氦氣溫度計(jì)算計(jì)算方法是有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述存在的問(wèn)題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：解決在超高溫條件下球床式高溫氣冷堆中氦氣溫度計(jì)算的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

3、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法，其包括如下步驟，

4、建立球床式高溫氣冷堆網(wǎng)格控制體，計(jì)算球床式高溫氣冷堆固體構(gòu)件以及堆芯燃料的溫度。

5、在固體溫度計(jì)算網(wǎng)格控制體上進(jìn)行細(xì)化得到球床式高溫氣冷堆氦氣溫度計(jì)算所需要的精細(xì)網(wǎng)格。

6、在相鄰節(jié)點(diǎn)的精細(xì)網(wǎng)格內(nèi)假設(shè)固體溫度成線性變化。

7、在精細(xì)網(wǎng)格上建立氦氣流動(dòng)的三維穩(wěn)態(tài)能量守恒方程，將方程分別在圓柱幾何的三個(gè)方向上進(jìn)行求解三個(gè)方向上氦氣溫度。

8、聯(lián)立三個(gè)方向上的能量守恒方程，獲得節(jié)點(diǎn)氦氣的溫度，并逐點(diǎn)計(jì)算所有網(wǎng)格點(diǎn)的氦氣溫度，并基于超松弛方法逐點(diǎn)更新氦氣溫度，輸出計(jì)算結(jié)果。

9、作為本發(fā)明所述的一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述在固體溫度計(jì)算網(wǎng)格控制體上進(jìn)行細(xì)化得到球床式高溫氣冷堆氦氣溫度計(jì)算所需要的精細(xì)網(wǎng)格包括在相鄰節(jié)點(diǎn)的精細(xì)網(wǎng)格內(nèi)構(gòu)建固體溫度線性方程，表達(dá)式為：

10、

11、其中，tsolid(x)為距離a節(jié)點(diǎn)x位置處的固體溫度，為a節(jié)點(diǎn)處的固體溫度，為b節(jié)點(diǎn)處的固體溫度，ι為a節(jié)點(diǎn)與b節(jié)點(diǎn)之間的距離，x為代求節(jié)點(diǎn)距離a節(jié)點(diǎn)位置。

12、作為本發(fā)明所述的一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述氦氣流動(dòng)的三維穩(wěn)態(tài)能量守恒方程，表達(dá)式為：

13、

14、其中，cp為氦氣的熱容，為氦氣的質(zhì)量流量，tgas為氦氣溫度，λgas為氦氣導(dǎo)熱系數(shù)，h為氦氣與固體的換熱系數(shù)，s為氦氣與固體的換熱面積，tsolid為固體的溫度；

15、在圓柱幾何上氦氣流動(dòng)的三維穩(wěn)態(tài)能量守恒方程，表示為：

16、

17、其中，r為網(wǎng)格點(diǎn)的徑向位置，為氦氣質(zhì)量流量在徑向上的分量，θ為網(wǎng)格點(diǎn)的周向位置，為氦氣質(zhì)量流量在周向上的分量，z為網(wǎng)格點(diǎn)的周向位置，為氦氣質(zhì)量流量在周向上的分量。

18、作為本發(fā)明所述的一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述將方程分別在圓柱幾何的三個(gè)方向上進(jìn)行求解三個(gè)方向上氦氣溫度是根據(jù)球床式高溫氣冷堆堆芯系統(tǒng)的特點(diǎn)，將氦氣流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)能量守恒方程分別在圓柱幾何的三個(gè)方向上進(jìn)行離散，得到徑向能量守恒方程、周向能量守恒方程、周向能量守恒方程；

19、所述徑向能量守恒方程，表達(dá)式為：

20、

21、其中，hr為徑向上的等效換熱系數(shù)，sr為徑向上的等效換熱面積；

22、所述周向能量守恒方程，表達(dá)式為：

23、

24、其中，hθ為周向上的等效換熱系數(shù)，sθ為周向上的等效換熱面積；

25、所述軸向能量守恒方程，表達(dá)式為：

26、

27、其中，hz為軸向上的等效換熱系數(shù)，sz為軸向上的等效換熱面積。

28、作為本發(fā)明所述的一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述聯(lián)立三個(gè)方向上的能量守恒方程，獲得節(jié)點(diǎn)氦氣的溫度是根據(jù)能量守恒方程聯(lián)立三個(gè)方向上的溫度，計(jì)算得到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)氦氣實(shí)際溫度，表達(dá)式為：

29、

30、

31、其中，為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處的氦氣氣體質(zhì)量源，為b節(jié)點(diǎn)處的氦氣氣體溫度，為氦氣通過(guò)橫向?qū)醾鬟f的能量，ts為氦氣氣體質(zhì)量源的氣體進(jìn)口溫度。

32、作為本發(fā)明所述的一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述基于超松弛方法逐點(diǎn)更新氦氣溫度是通過(guò)聯(lián)立不同方向的能量守恒方程計(jì)算得到該節(jié)點(diǎn)的氦氣實(shí)際溫度之后，通過(guò)超松弛方法對(duì)該網(wǎng)格點(diǎn)的氦氣溫度進(jìn)行更新，表達(dá)式為：

33、

34、其中，為b節(jié)點(diǎn)處更新后氦氣溫度，為b節(jié)點(diǎn)處更新前氦氣溫度，sor為超松弛因子。

35、作為本發(fā)明所述的一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述基于超松弛方法逐點(diǎn)更新氦氣溫度還包括判斷氦氣溫度場(chǎng)迭代求解是否收斂，判斷階段誤差是否符合條件，收斂則進(jìn)行下一步，不收斂則在更新后的氦氣溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算；

36、基于超松弛方法更新網(wǎng)格點(diǎn)的氦氣溫度之后，通過(guò)更新前與更新后的氦氣溫度的比值與1的插值衡量迭代計(jì)算的誤差，表示為：

37、

38、其中，error為氦氣溫度計(jì)算誤差，max為所有網(wǎng)格點(diǎn)中的最大值，

39、tnew為更新后的網(wǎng)格點(diǎn)氦氣溫度，told為更新前的網(wǎng)格點(diǎn)氦氣溫度；

40、通過(guò)判斷氦氣溫度計(jì)算誤差是否小于計(jì)算前設(shè)置的收斂限值來(lái)確定氦氣溫度計(jì)算是否收斂，收斂則進(jìn)行下一步，不收斂則在更新后的氦氣溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)迭代計(jì)算，表示為：

41、error≤ξ

42、其中，ξ為計(jì)算前設(shè)定的收斂限值。

43、本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算系統(tǒng)，其能通過(guò)數(shù)據(jù)除了和溫度的預(yù)測(cè)計(jì)算，解決了現(xiàn)有方法在處理復(fù)雜流道和高溫條件下計(jì)算延遲及準(zhǔn)確性不足的問(wèn)題。實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)核反應(yīng)堆內(nèi)氦氣的溫度變化，提升了反應(yīng)堆的運(yùn)行安全和效率。

44、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算系統(tǒng)，包括：網(wǎng)格生成模塊、溫度計(jì)算模塊、能量守恒方程求解模塊、迭代求解與超松弛更新模塊以及輸出與數(shù)據(jù)處理模塊。

45、所述網(wǎng)格生成模塊是創(chuàng)建球床式高溫氣冷堆的三維網(wǎng)格控制體，細(xì)化固體溫度計(jì)算網(wǎng)格。

46、所述溫度計(jì)算模塊是計(jì)算固體構(gòu)件的溫度。

47、所述能量守恒方程求解模塊是在已有的固體溫度分布基礎(chǔ)上，利用氦氣的物理特性，建立并求解氦氣的三維穩(wěn)態(tài)能量守恒方程，并在圓柱坐標(biāo)系下分別對(duì)徑向、周向、軸向進(jìn)行求解。

48、所述迭代求解與超松弛更新模塊是通過(guò)引入松弛因子，優(yōu)化迭代過(guò)程，減少計(jì)算時(shí)間，逐點(diǎn)更新氦氣溫度。

49、所述輸出與數(shù)據(jù)處理模塊是處理并輸出計(jì)算結(jié)果。

50、一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法的步驟。

51、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述一種球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度計(jì)算方法的步驟。

52、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過(guò)引入節(jié)點(diǎn)之間溫度線性分布的假設(shè)，推到了球床式高溫氣冷堆一回路氦氣溫度的計(jì)算方法，能夠快速正確的計(jì)算堆芯內(nèi)部流道以及反射層內(nèi)孔道的氦氣溫度，從而確定堆芯的運(yùn)行狀態(tài)提供重要參考。