一种多头绕肋棒束组件模型的网格划分方法

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯热工水力分析技术领域，尤其涉及一种多头绕肋棒束组件模型的网格划分方法。

背景技术

在某些四代反应堆中，取消了二代、三代反应堆中的定位格架结构，并增加了螺旋绕肋组件进行定位。螺旋绕肋组件可以使各个燃料组件在运行过程中保持适当的栅距，同时兼具冷却剂的交混以及强化冷却剂与燃料棒之间传热的作用。但是，也使得棒束组件具有了非对称性，其温度场和速度场在绕肋的作用下具有周期性特征。因此，获得带绕肋棒束组件详细的热工水力特性对于反应堆堆芯设计和安全分析极其重要。

网格划分在带绕肋棒束组件的计算中占有重要的地位。由于绕肋的存在，棒束组件流动通道的几何结构十分复杂，几何形状不规则，轴向与横截面的尺寸相差较大，组件内部栅距比小，棒与棒之间的流道尺寸甚至达毫米量级，这些结构特点给棒束组件的网格划分带来了挑战。

目前，带绕肋棒束组件的网格划分通常采用四面体网格或多面体网格自动生成技术，即结构化网格。四面体网格对于复杂模型的适应性较好，可以在几何畸变的位置生成质量较好的网格，但是网格数量极其庞大，计算成本较高，而计算精度较低；多面体网格计算精度较高，达到相同精度时网格数量少，但是对于复杂模型的适应性较差，对于存在几何畸变的模型，无法保证计算效果。现有技术中的非结构化网格计算质量差，精度低，成本高。

近年有学者提出了一种组件流体域的结构化网格划分方法，其中改进了先前采用UDF移除绕丝所在位置网格的方法，克服了由于网格的四边形形状为模拟引入的额外的压降的缺点，但是由于其在绕丝周围采用了C型网格剖分，block中的edge在关联几何时，会导致绕丝周围的网格存在较大的畸变而使质量降低。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种多头绕肋棒束组件模型的网格划分方法，用以解决现有技术绕肋附近网格质量差以及导致的后续计算精度低的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种多头绕肋棒束组件模型的网格划分方法，包括如下步骤：

建立多头绕肋棒束组件的三维几何模型；

识别上述三维几何模型的任一截面中不包含绕肋特征的主流区流体域、包含绕肋特征的近棒区流体域和棒束固体域三域；

根据预设流体速度，划分主流区流体域的三维结构化网格；

根据棒束栅元的排列方式和几何尺寸，确定绕肋附近缝隙处的加密方案，划分近棒区流体域和棒束固体域的三维结构化网格；

将上述三域的三维结构化网格拼接，获得多头绕肋棒束组件的网格划分结果。

上述技术方案的有益效果如下：目前带绕肋棒束组件的结构化网格划分方法，主要适用于栅距比大的组件，对于栅距比较小的稠密棒束，每根棒的主流区子通道形状不规则，主流区流体域的网格划分较为困难，上述技术方案将流体域细分为主流区流体域和近棒区流体域，更加灵活地调整绕肋附近的网格节点数，以应对由于绕肋结构所引入的几何畸变，对于提升绕肋附近的网格质量有较为显著的效果；添加固体计算域以进行流固耦合计算更加符合实际的传热过程，模拟计算的精度也得到提高；解决了现有技术中绕肋附近网格质量差以及导致的后续计算精度低的问题，同时引入固体计算域，使得计算更接近于实际流动情况。

基于上述方法的进一步改进，所述建立多头绕肋棒束组件的三维几何模型，进一步包括：

建立冷却剂的流道模型，包括流道外壁、流道内壁，以及流道内外壁之间空隙构成的冷却剂流动通道；所述流道外壁、流道内壁共用一根中心轴；

建立单根棒束模型，所述棒束模型包括固体棒束、以及在固体棒束上以固定螺距缠绕的多条绕肋；

在上述冷却剂流动通道内，按预设方式布设上述棒束模型，完成多头绕肋棒束组件的三维几何模型的构建。

上述进一步改进方案的有益效果如下：创造性地引入流道内壁的概念，将业内普遍使用的19、37、61棒束推广到具有环形形状的棒束结构中，得到一种更为普遍的网格生成方法。

进一步，所述多头绕肋棒束组件的三维几何模型中，相邻棒束之间的间距均为统一数值，并且，相邻内外层之间的棒束交错布设；

每一所述固体棒束均为中空结构，内部为封闭的腔室，外部缠绕相同数量、相同间隔的绕肋；且，绕肋数量≥2。

上述进一步改进方案的有益效果如下：交错布设的结构有利于缩小整体结构的体积，然而，这为网格划分带来较大的困难。上述技术方案很好地复原了原始棒束结构，使后续得到的网格能更好地模拟实际棒束中的流动情况。

进一步，所述流道外壁、流道内壁的形状相同，大小不同；

棒束模型的布设方式为：每一层棒束模型绕中心轴沿流道内壁均匀排列，相邻内外层之间的棒束交错布设，共s层；所述s通过下面公式确定

式中，h为流道外壁与流道内壁之间的距离，r为固体棒束半径，t为绕肋的厚度，[]为取整运算；

相邻棒束之间的间距l通过下面不等式确定

γ·L≤6°

(s-1)·l+2(s+1)r≤h

式中，L为固体棒束网格的预设纵向尺寸，γ为绕肋的旋转角度。

上述进一步改进方案的有益效果如下：将棒束中的结构尺寸参数进行关联量化，得到一种更为普遍的模型建构方法。

进一步，所述识别上述三维几何模型中不包含绕肋特征的主流区流体域、包含绕肋特征的近棒区流体域和棒束固体域三域的步骤，包括：

获取多头绕肋棒束组件的三维几何模型的任一横截面；

识别所述横截面中每一固体棒束以及对应绕肋所在区域构成的包络，将包络内区域作为该棒束的固体域，所有棒束的固体域排列构成所述三维几何模型的棒束固体域；

识别所述横截面中每一固体棒束的几何中心，根据棒束固体域边界构建辅助线一，在辅助线一外以所述中心为圆心、以所述r+t为半径对相邻绕肋边缘点进行连接构建辅助线二，将所述辅助线一、二之间的区域作为该棒束的近棒区流体域，所有棒束的近棒区流体域排列构成所述三维几何模型的近棒区流体域；

去除所述横截面中所有棒束固体域、近棒区流体域，获得所述三维几何模型的主流区流体域。

上述进一步改进方案的有益效果如下：通过设置相关辅助线，将整体模型结构中的三个计算域分别进行识别，得到三个计算域的拓扑结构，再通过后续操作分别生成三个计算域的网格。减小了由于分开建构模型引入的计算域边界处的几何误差，同时也能够节省操作时间。

所述根据预设流体速度，划分主流区流体域的三维结构化网格的步骤，进一步包括：

在主流区流体域内，分别以每一固体棒束的几何中心为圆心、以所述L为半径作圆，获得该圆的外切正多边形；其中，对于距离流动通道中轴预设距离内的固体棒束，获得外切正五边形，对于距离流动通道中轴预设距离外的固体棒束，获得外切正六边形；

将每一固体棒束的几何中心作为辐射中心，相应外切正多边形为边界，在顶部横截面中360°均匀向外辐射6m条线段，m≥2，直到将每一外切正多边形内主流区流体域划分成相同数量的模块；

根据最大网格的尺寸小于流动过程中的最小的涡结构尺寸，以及相邻模块边界的节点数一致的规则，对每一模块进行O型网格剖分；

将O型网格剖分后的主流区流体域沿绕肋方向旋转拉伸至固体棒束底部平面，然后将拉伸后的结构沿轴向等间隔分割，间隔长度为L，完成主流区流体域的三维结构化网格的划分。

上述进一步改进方案的有益效果如下：将主流区流体域网格单独作为一个整体，在划分过程中，将其细分为小的模块，再分别进行网格划分。实现了将结构化网格划分方法成功地应用到主流区流体域这一复杂的模型中，避免了非结构化网格的使用，从而使网格质量得到了质的提升。适用的范围为棒束网格划分，轴向方向为实际流体流动方向，此方向上的流动细节较于横截面少。因此，先生成横截面的二维结构化网格，其较小的网格尺度能够表现出模拟过程中的流动细节，而轴向的网格尺度可以适当增大，这一操作在一定程度上减小了网格数量，节省了模拟计算成本。

进一步，所述绕肋附近缝隙处的加密方案为：

近棒区流体域中靠近固体域的第一层网格的最大尺寸不超过0.01mm；并且，

每一棒束的固体域网格边界上，绕肋宽度上的节点数N

N

式中，p表示绕肋宽度；

相邻绕肋之间的弧长上的节点数N

N

上述进一步改进方案的有益效果如下：靠近固体域的第一层网格尺寸较小，能够提高流固耦合的计算精度；将网格节点按照上述公式进行设置，能在提高结构化网格的贴体性同时，一定程度上减少网格数量。

进一步，通过如下步骤划分近棒区流体域的三维结构化网格：

识别每一棒束的近棒区流体域的内轮廓上靠近固体棒束轮廓的所有端点；

将每一固体棒束的中心作为辐射中心，以该棒束的近棒区流体域的外轮廓为边界，在顶部横截面中360°均匀向外辐射2倍绕肋数量的线段，使得辐射线段与外轮廓的交点集合包含上述所有端点；

去除上述交点集合中的所述所有端点，构建剩余交点与该辐射中心连线的两条平行线作为辅助线，使得每条所述辅助线的一端与最近端点位置重合，另一端在近棒区流体域的外轮廓上，将每一棒束的近棒区流体域分成4倍绕肋数量个模块；

根据最大网格的尺寸小于流动过程中的最小的涡结构尺寸，以及相邻模块边界的节点数一致、近棒区流体域与主流区流体域边界的节点数一致的规则，对每一模块进行O型网格剖分；

根据绕肋附近缝隙处的加密方案，对完成O型网格剖分后的近棒区流体域进行进一步加密；

将进一步加密后的近棒区流体域沿绕肋方向旋转拉伸至固体棒束底部平面，然后将拉伸后的结构沿轴向等间隔分割，间隔长度为L，完成近棒区流体域的三维结构化网格的划分。

上述进一步改进方案的有益效果如下：通过构造上述辅助线，将近棒区流体域划分为多个模块，分别进行网格划分，能够更加灵活地设置节点，从而提高网格质量。近棒区流体域旋转拉伸的间隔长度与主流区流体域拉伸的间隔长度相等，可以提高模拟计算精度。

进一步，通过如下步骤划分棒束固体域的三维结构化网格：

在近棒区流体域与主流区流体域的三维结构化网格划分均结束后，获取近棒区流体域、主流区流体域边界上与棒束固体域重合的所有节点位置；

将每一固体棒束的中心作为辐射中心，以该棒束的外轮廓为边界，在顶部横截面中360°向每一绕肋与棒束交点辐射线段，将每一固体棒束的棒束固体域分成2倍绕肋数量个模块；

根据棒束固体域与近棒区流体域、主流区流体域重合边界上的节点位置一致的规则，对每一模块分别进行O型网格剖分；

将完成O型网格剖分的棒束固体域沿绕肋方向旋转拉伸至固体棒束底部平面，然后将拉伸后的结构沿轴向等间隔分割，间隔长度为L，完成棒束固体域的三维结构化网格的划分。

上述进一步改进方案的有益效果如下：通过构造上述辅助线，将固体域分为多个模块，分别进行网格划分，能够更加灵活地设置节点，从而提高网格质量。固体域旋转拉伸的间隔长度与近棒区流体域旋转拉伸的间隔长度及主流区流体域拉伸的间隔长度相等，可以提高模拟计算精度。

进一步，通过平移和镜像操作，完成棒束固体域与近棒区流体域、主流区流体域中对称模块的网格剖分；

所述间隔长度L的尺寸小于等于2mm，且不大于棒束长度的36分之一；并且，绕肋的旋转角度不超过10°；

所述棒束固体域上，每根固体棒束轴向的网格至少包括5层；

网格的最大尺寸不大于流动过程中的最小的涡结构尺寸的1/10。

上述进一步改进方案的有益效果是：间隔长度L小于等于2mm，旨在减小每一个网格的Aspect ratio，其定义如下：

Aspect ratio为网格质量的量化指标，其值越小，网格的计算精度越好。每个间隔的绕肋旋转角度不超过10°，旨在降低每个网格的扭转程度。旋转角度大的条件下，计算精度会降低。固体棒束径向网格至少包括5层，可以提高固体域传热计算的计算精度。对网格最大尺寸进行限制可以通过模拟得到流动过程的细节信息。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1多头绕肋棒束组件模型的网格划分方法步骤示意图；

图2为本发明实施例2多头绕肋棒束组件局部三维几何模型示意图；

图3为本发明实施例2主流区流体域、近棒区流体域和固体域划分示意图；

图4为本发明实施例2主流区流体域二维拓扑结构示意图；

图5为本发明实施例2主流区流体域block划分示意图；

图6为本发明实施例2主流区流体域二维网格示意图；

图7为本发明实施例2主流区流体域三维结构网格示意图；

图8为本发明实施例2近棒区流体域二维拓扑结构示意图；

图9为本发明实施例2近棒区流体域block划分示意图；

图10为本发明实施例2近棒区流体域单棒二维网格示意图；

图11为本发明实施例2近棒区流体域三维结构网格示意图；

图12为本发明实施例2固体域二维拓扑结构示意图；

图13为本发明实施例2固体域block划分示意图；

图14为本发明实施例2固体域单棒二维网格示意图；

图15为本发明实施例2固体域三维结构网格示意图；

图16为本发明实施例2带多头绕肋稠密棒束二维结构网格示意图；

图17为本发明实施例2带多头绕肋稠密棒束三维结构网格示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

多头绕肋棒束组件包括流道外壁、固体棒束、绕肋、流道内壁，流道外壁与内壁之间的空隙构成冷却剂流动通道。

本发明的一个具体实施例，公开了一种多头绕肋棒束组件模型的网格划分方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1.建立多头绕肋棒束组件的三维几何模型；

S2.识别上述三维几何模型的任一截面中不包含绕肋特征的主流区流体域、包含绕肋特征的近棒区流体域和棒束固体域三域；

S3.根据预设流体速度，划分主流区流体域的三维结构化网格；

S4.根据棒束栅元的排列方式和几何尺寸，确定绕肋附近缝隙处的加密方案，划分近棒区流体域和棒束固体域的三维结构化网格；

S5.将上述三域的三维结构化网格拼接，获得多头绕肋棒束组件的网格划分结果。

与现有技术相比，本实施例提供了一种普遍适用于多头绕肋棒束计算的结构化网格生成方法。通过更为灵活地控制绕肋附近的节点，对于绕肋附近的网格质量有了较为明显的改善，克服了稠密棒束中由于绕肋的存在所引入的结构畸变；与使用UDF删除绕肋附近网格的现有技术方法相比，避免了由于结构化网格的形状而引入的额外压降，也避免了C型网格剖分导致的绕肋附近网格质量差以及后续计算精度低的问题。在一定程度上提高了网格生成时间，同时兼顾了网格质量以及后续应用于软件计算过程中的计算精度；引入固体计算域的过程中，固体域与近棒区流体域的交界面处为共形网格，最大程度上减小了由于增加交界面所导致的计算精度降低。

实施例2

在实施例1方法的基础上进行优化，步骤S1进一步包括：

S11.建立冷却剂的流道模型，所述流道模型包括流道外壁、流道内壁；流道外壁、流道内壁共用一根中心轴，且形状相同、大小不同；流道外壁与流道内壁之间的空隙构成冷却剂流动通道，如图2～3所示。流道内、外壁的厚度可以忽略不计。

S12.建立单根棒束模型，所述棒束模型包括固体棒束、以及在固体棒束上以固定螺距缠绕的多条绕肋。

S13.在上述冷却剂流动通道内，按预设方式布设上述棒束模型，完成多头绕肋棒束组件的三维几何模型的构建。

优选地，固体棒束的数量不是任意的，采用为两层/圈排列成六边形的棒束构成，相邻两棒之间交错布置，构成三角形排列方式。其中，单根棒为中空结构，内部为封闭腔室，不通过冷却剂，外部缠绕有2根或以上的绕肋。绕肋节距为300mm。

棒束横截面为典型的对称形状。可设置绕肋顶端截面距离棒中心的距离为3.427mm，棒间距7mm，则相邻棒的绕肋相遇时，中间的缝隙为0.146mm。缝隙的尺寸相对于棒的直径等参数极小，这为网格划分带来较大的困难。

为了简化模型构建、网格划分及计算步骤，将棒束构成的六边形横截面分割为面积相同、棒数量相同、棒排列方式相同的完全对称的六个区域(中心对称)，之后的所有步骤可仅针对其中的一个区域(组件的1/6)进行网格划分以及计算。获得的计算结果可以通过对称等效到其他5个区域，从而可以得到整体棒束组件的计算结果。简化后的模型如图2所示。

优选地，步骤S2进一步细化为：

S21.获取多头绕肋棒束组件的三维几何模型的任一横截面；

S22.识别所述横截面中每一固体棒束以及对应绕肋所在区域构成的包络，将包络内区域作为该棒束的固体域，所有棒束的固体域排列构成所述三维几何模型的棒束固体域；

S23.识别所述横截面中每一固体棒束的几何中心，根据棒束固体域边界构建辅助线一，在辅助线一外以所述中心为圆心、以所述r+t为半径对相邻绕肋边缘点进行连接构建辅助线二，将所述辅助线一、二之间的区域作为该棒束的近棒区流体域，所有棒束的近棒区流体域排列构成所述三维几何模型的近棒区流体域；

S24.去除所述横截面中所有棒束固体域、近棒区流体域，获得所述三维几何模型的主流区流体域。最终的计算域划分结果如图3所示。

优选地，步骤S3进一步细化为：

S31.在主流区流体域内，分别以每一固体棒束的几何中心为圆心、以所述L为半径作圆，获得该圆的外切正多边形(位于棒束边缘的棒获得其外切五边形，位于棒束内部的棒获得其外切正六边形)；

S32.将每一固体棒束的几何中心作为辐射中心，相应外切正多边形为边界，在顶部横截面中360°均匀向外辐射6m条线段，m≥2，直到将每一外切正多边形内主流区流体域划分成相同数量的模块；

S33.根据最大网格的尺寸小于流动过程中的最小的涡结构尺寸，以及相邻模块边界的节点数一致的规则，对每一模块进行O型网格剖分；

S34.将O型网格剖分后的主流区流体域沿绕肋方向旋转拉伸至固体棒束底部平面，然后将拉伸后的结构沿轴向等间隔分割，间隔长度为L，完成主流区流体域的三维结构化网格的划分。

具体的主流区流体域拓扑结构、二维block划分、二维网格及三维网格如图4～7所示。

优选地，步骤S4进一步细化为：

S41.确定绕肋附近缝隙处的加密方案。所述加密方案为：主流区流体域与近棒区流体域中靠近固体域的第一层网格的最大尺寸不超过0.01mm；并且，每一棒束的固体域网格边界上，绕肋宽度上的节点数N

N

式中，p表示绕肋宽度；相邻绕肋之间的弧长上的节点数N

N

S42.识别每一棒束的近棒区流体域的内轮廓上靠近固体棒束轮廓的所有端点；

S43.将每一固体棒束的中心作为辐射中心，以该棒束的近棒区流体域的外轮廓为边界，在顶部横截面中360°均匀向外辐射2倍绕肋数量的线段，使得辐射线段与外轮廓的交点集合包含上述所有端点；

S44.去除上述交点集合中的所述所有端点，构建剩余交点与该辐射中心连线的两条平行线作为辅助线，使得每条所述辅助线的一端与最近端点位置重合，另一端在近棒区流体域的外轮廓上，将每一棒束的近棒区流体域分成4倍绕肋数量个模块，如图8所示；

S45.根据最大网格的尺寸小于流动过程中最小的涡结构尺寸，以及相邻模块边界的节点数一致、近棒区流体域与主流区流体域边界的节点数一致的规则，对每一模块进行O型网格剖分；block划分及二维网格示意图如图9、10所示；

S46.根据绕肋附近缝隙处的加密方案，对完成O型网格剖分后的近棒区流体域进行进一步加密；

S47.将进一步加密后的近棒区流体域沿绕肋方向旋转拉伸至固体棒束底部平面，然后将拉伸后的结构沿轴向等间隔分割，间隔长度为L，完成近棒区流体域的三维结构化网格的划分，如图11所示；

S48.在近棒区流体域与主流区流体域的三维结构化网格划分均结束后，获取近棒区流体域、主流区流体域边界上与棒束固体域重合的所有节点位置；

S49.将每一固体棒束的中心作为辐射中心，以该棒束的外轮廓为边界，在顶部横截面中360°向每一绕肋与棒束交点辐射线段，将每一固体棒束的棒束固体域分成2倍绕肋数量个模块，如图12所示；

S410.根据棒束固体域与近棒区流体域、主流区流体域重合边界上的节点位置一致的规则，对每一模块分别进行O型网格剖分；固体域的block划分及二维网格示意图分别如图13～14所示；

S411.将完成O型网格剖分的棒束固体域沿绕肋方向旋转拉伸至固体棒束底部平面，然后将拉伸后的结构沿轴向等间隔分割，间隔长度为L，完成棒束固体域的三维结构化网格的划分，如图15所示。

多头绕肋棒束组件的三维几何模型中，在冷却剂流动通道内，相邻棒束之间的间距相等，并且，相邻的内外圈棒束交错布设。

固体棒束为中空结构，内部为封闭的腔室。

通过下面公式获得上述预设圈数s

式中，h为流道外壁与流道内壁之间的距离，r为固体棒束半径，[]为取整运算。

相邻棒束之间的间距l应满足下面不等式

γ·L≤6°

(s-1)·l+2(s+1)r≤h (4)

式中，L为固体棒束网格的预设纵向尺寸，γ为绕肋的旋转角度。

通过平移和镜像操作，完成棒束固体域与近棒区流体域、主流区流体域中对称模块的网格剖分，如图7、11、15所示；将三个计算域的网格进行拼接，得到整体计算域的结构化网格，如图16～17所示。

优选地，间隔长度L的尺寸小于等于2mm，且不大于棒束长度的36分之一；并且，绕肋的旋转角度不超过10°。

优选地，所述棒束固体域上，每根固体棒束轴向的网格至少包括5层。

优选地，网格的最大尺寸不大于流动过程中的最小的涡结构尺寸的1/10。

与实施例1相比，本实施例提供的棒束模型为两层棒结构，相当于将此种网格划分方法进行了推广，得出的是一种更为普遍的网格划分方法。但是该方法不局限于两层棒结构，也可用于其他的单层棒、多层棒以及业内典型的7、19、37、61六边形棒束结构。克服了非结构网格的数量大、精度低的问题；解决了带多头绕肋稠密棒束的主流区流动通道的网格划分困难的问题；同时，可以灵活地调整网格节点数量和分布，进行分析；近棒区流体域中绕肋与外边界的缝隙处进行了网格加密，提升了网格质量；近棒区流体域与固体域在周向的网格节点分布一致，流固耦合面在“拉伸旋转”的操作过程中生成的网格为共形网格，计算精度更高。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。