反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113192566A(43)申请公布日2021.07.30(21)申请号202110484522.3G06F119/14(2020.01)(22)申请日2021.04.30(71)申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市碑林区咸宁西路28号(72)发明人张亚培王耀巫英伟苏光辉田文喜秋穗正(74)专利代理机构西安智大知识产权代理事务所61215代理人何会侠(51)Int.Cl.G16C10/00(2019.01)G16C20/10(2019.01)G06F30/28(2020.01)G06F113/08(2020.01)权利要求书4页说明书6页附图3页(54)发明名称反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法(57)摘要反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法,步骤如下：采用伪二元化简化的熔融物系统，利用耦合了流体力学方程纳维‑斯托克斯方程和相场方程卡恩‑希利亚德方程的方程组作为分层熔池瞬态演变过程中瑞利‑泰勒不稳定现象的控制方程；推导计算求解卡恩‑希利亚德方程所需要的自由能关系，化学势关系，化学迁移率和梯度自由能系数；利用涡量‑流函数方法对纳维‑斯托克斯‑卡恩‑希利亚德方程组进行数值离散，利用伪谱方法求解方程组，求解之前对方程组中所有的非光滑项光滑化；利用熔池瞬态相变模拟软件执行数值运算，模拟出完整的熔池瞬态相变过程并可视化。CN113192566ACN113192566A权利要求书1/4页1.反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：熔池瞬态相变过程控制方程开发：采用伪二元化简化的熔融物系统，利用铁元素的浓度指示由铀、氧、锆、铁四种元素组成的熔融物的相场分布并利用耦合了流体力学方程即纳维‑斯托克斯方程和相场方程即卡恩‑希利亚德方程的方程组即纳维‑斯托克斯‑卡恩‑希利亚德方程组作为分层熔池瞬态演变过程中瑞利‑泰勒不稳定现象的控制方程，其中纳维‑斯托克斯方程基于布辛涅司克近似；步骤二：计算纳维‑斯托克斯‑卡恩‑希利亚德方程组求解所需的热工水力参数：利用铀、氧、锆、铁四元系统的热力学数据推导计算求解卡恩‑希利亚德方程所需要的自由能、化学势、化学迁移率和梯度自由能系数；步骤三：利用涡量‑流函数方法对纳维‑斯托克斯‑卡恩‑希利亚德方程组进行数值离散与求解：利用伪谱方法将方程组中的梯度运算转换为傅里叶空间中的线性运算，并完成方程组的求解，求解之前对方程组中所有的非光滑项光滑化；步骤四：利用熔池瞬态相变模拟软件执行数值运算，模拟出完整的熔池瞬态相变过程并可视化：具体过程如下：一、首先在每个时间步将铁浓度和涡量投影到傅里叶空间；二、在傅里叶空间中求解下一个时间步的铁浓度和涡量的谱系数。三、将计算出的铁浓度和涡量的谱系数从傅里叶空间中投影回物理空间得到此时铁的浓度和涡量，并绘制铁浓度的空间分布指示熔池的相变过程。2.根据权利要求1所述的反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法，其特征在于：步骤一中所述的熔池瞬态相变过程控制方程开发的过程如下：一、采用伪二元化简化的熔融物系统；伪二元化简化的熔融物系统指的是假设在熔融物相变的过程中氧化物相向金属相传递的铀、锆、氧元素始终保持一定的比例，在该假设下，原本含有铀、氧、锆、铁四种元素的熔融物被简化为是由铁元素和另一种混合元素这两种组分组成，这种混合元素对应原本的铀、氧、锆三种元素，此时铁的浓度能指示熔融物的相变情况，因此采用的是伪二元化简化的熔融物系统，其中一元是铁，另一元是铀、氧、锆，将这三种元素等效成一种元素；二、利用基于布辛涅司克近似的纳维‑斯托克斯‑卡恩‑希利亚德方程组描述熔池瞬态相变过程中发生的瑞利‑泰勒不稳定现象；具体的控制方程如下：其中式1，2，3，4共同组成了纳维‑斯托克斯‑卡恩‑希利亚德方程组，式中：c为铁元素的摩尔数占比，为熔融物的速度，M为化学迁移率，f是自由能,μ为熔融物的化学势，ρ为熔融物的2CN113192566A权利要求书2/4页实际密度，p为流体的压力，ρ1为布辛涅司克近似下熔融物的背景密度，η为熔融物的粘度，表示重力,κ是梯度自由能系数。3.根据权利要求1所述的反应堆严重事故下熔池瞬态相变模拟方法，其特征在于：步骤二中所述的计算纳维‑斯托克斯‑卡恩‑希利亚德方程组求解所需的热工水力参数所述的过程如下：一、基于四元系统的热力学数据，计算化学迁移率M和梯度自由能系数κ；化学迁移率M由以下公式计算：式中：wint为相变过程中不同相之间的界面厚度，由于实际的相界面的厚度处于介观的尺度，所以在实际的宏观模拟中wint的值是一个由用户指定的较小的数，该较小的数取L/16，L＝0.176m，把[0,L]×[0,4L]的矩形空间作为计算空间，综上把这种处理看作是在保持界面张力不变的前提