一种非能动安全壳水膜冷却性能分析平台

技术领域

本发明涉及冷却系统性能分析技术领域，具体是一种非能动安全壳水膜冷却性能分析平台。

背景技术

非能动安全壳冷却系统在发生设计基准事故后的72小时内，利用自然通风冷却、水膜蒸发冷却等非能动方式即将安全壳热量排出。利用钢制安全壳作为一个传热表面，事故后产生的蒸汽在安全壳内表面冷凝并加热内表面，然后通过热传导将热量传递到钢壳体。

现有技术中，如申请号为：CN201721635507.X中公开的名称为：用于安全壳热量非能动导出系统的试验装置，其中包括：安全壳模拟体；压缩空气供应系统与安全壳模拟体相连；氦气供应系统与安全壳模拟体相连；蒸汽供应系统与安全壳模拟体相连；换热管试验件置于安全壳模拟体内；强迫循环回路与换热管试验件相连形成能动热量导出循环；自然循环回路与换热管试验件相连形成非能动热量导出循环，强迫循环回路和自然循环回路可选择性地工作；数据采集系统用于采集安全壳模拟体内和强迫循环回路、自然循环回路上的参数。

但是现有技术中，如申请号为：CN201721635507.X中提到的试验装置，在安全壳内的流动换热过程中，空气流道环腔内空气与水蒸气的自然对流、壁面水膜的流动换热、上升气流与下降水膜间的相互作用等物理过程，属于多物理场耦合问题，现有技术的试验装置无法进行相关的试验操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非能动安全壳水膜冷却性能分析平台，以解决现有技术中的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种非能动安全壳水膜冷却性能分析平台，所述性能分析平台包括：

管理模块，所述管理模块与前处理模块连接，用于输入非能动安全壳水膜冷却系统信息；

前处理模块，所述前处理模块与计算模块连接，用于录入安全壳的几何信息；

计算模块，所述计算模块与后处理模块连接，计算模块用于求解非能动安全壳水膜冷却系统的物理现象；

后处理模块以及辅助模块。

优选地，所述管理模块进行项目信息、工作变量、相关配置文件以及一些默认参数的初始化工作，再输入项目待分析对象的信息。

优选地，所述前处理模块对几何输入的项目分析对象，进行网格划分操作，且提供初始条件、边界类型和边界条件参数输入，求解参数、初边值、特定位置物理量监控自定义输入。

优选地，所述计算模块包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分输运方程、湍流输运方程、欧拉多相流模型、水膜模型、蒸发模型；

其中，湍流输运求解方程为：

G

组分输运方程为：

能量方程为：

上式中，κ为热导率，S

液膜守恒方程为：

上式中，δ表示液膜厚度，U为液膜平均速度，

蒸发模型的蒸发质量源为：

优选地，所述后处理模块允许用户查看特定点、线、截面处的物理量；可输出指定截面上的物理量云图，以及环腔内速度流线图；可按照用户要求实时输出报告。

所述后处理模块的预定义输出主要包括水膜分布，输出壁面水膜以及其上个物理量分布。

所述后处理模块还可根据用户自行定义所需要监控点的坐标和变量进行自定义输出。

优选地，所述辅助模块包括储存物理模型和数值算法的理论手册、仿真分析最佳实践导则，为用户提供程序使用帮助。

优选地，所述性能分析平台的结果采用单项验证和复合案例验证的方式，用于确保准确性。

本发明的有益效果：

1、本发明性能分析平台，设置有管理模块、前处理模块、计算模块、后处理模块和辅助模块，分析各模块之间的物理场耦合关系，并进行主要物理量的分析输出，分析水膜的变化情况，合理分析得到实际安全壳冷却系统的环腔温度场变化，有利于安全壳冷却系统后续的设计开发；

2、本发明性能分析平台，整体的结构简单，分析操作过程方便，对非能动安全壳水膜冷却系统的分析操作更加准确可靠，贴合实际非能动安全壳水膜冷却系统实际工作状态，分析结果得到验证，准确度高，适合非能动安全壳水膜冷却系统分析使用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明非能动安全壳冷却系统的结构示意图；

图2是本发明性能分析平台的示意图；

图3是本发明性能分析平台的工作流程图；

图4是本发明环腔的截面参数示意图；

图5是本发明网格划分示意图；

图6是本发明计算模块中的耦合关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种非能动安全壳水膜冷却性能分析平台，如图1所示，非能动安全壳冷却系统包括钢安全壳，钢安全壳的外侧设置有屏蔽厂房，屏蔽厂房内且位于钢安全壳外侧设置有空气导流板，形成空气流道环腔，屏蔽厂房上开设有空气入口，且位于空气入口的外侧固定设有用于遮挡的百叶窗，屏蔽厂房的顶部开设有空气出口，屏蔽厂房上设置有储存箱，储存箱内蓄满水，而后由重力将水输到安全壳上方。

空气从屏蔽厂房与空气导流板之间向下流动，从空气导流板的底部进入到钢安全壳与空气导流板之间，此时钢安全壳外侧的空气与钢安全壳表面接触，以水膜蒸发的形式将钢安全壳上的热量带出，而后空气从空气出口排出。

上述过程中，安全壳外表面的水膜冷却为复杂的传热传质过程，其中包括竖直壁面上的水膜流动、水膜蒸发的传热传质过程、上升气流与下降水膜间的相互作用、空气流道环腔内空气和水蒸气的自然对流、空气流道环腔内的辐射换热。

而空气流道环腔的结构会改变上述的空气传热等行为，因此需要对安全壳水膜冷却性能进行分析，本实施例中的性能分析平台主要对水膜冷却进行高精度分析和评估。

如图2所示，性能分析平台包括管理模块、前处理模块、计算模块、后处理模块和辅助模块，上述各模块之间电性连接，用于性能分析平台内的数据传输。

管理模块主要用于输入项目待分析对象的信息，进行项目信息、工作变量、相关配置文件以及一些默认参数的初始化工作；

前处理模块主要用于项目分析对象的几何输入，可根据本项目分析对象以及所求解问题自动划分生成网格，可根据所求解问题的特点提供可供用户修改的模型，可提供初始条件、边界类型和边界条件参数输入，可进行求解参数、初边值、特定位置(点、线、截面等)物理量监控定义等，设置的参数包括迭代步数、时间步长、松弛因子；

计算模块主要用于计算物理现象，包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分输运方程、湍流输运方程、欧拉多相流模型、水膜模型、蒸发(沸腾)模型，计算过程中允许用户实时调节求解参数，实时监视计算残差、对流库朗数(瞬态问题)和特定位置(点、线、截面等)物理量的变化趋势；

后处理模块主要用于允许用户查看特定点、线、截面处的物理量，如：加热安全壳外壁面的热流密度、水膜蒸发量、水蒸气质量分数等；可输出指定截面上的物理量云图，如：温度场、速度矢量场、水蒸气质量分数，以及环腔内速度流线图等；可按照用户要求输出报告；

辅助模块主要包括储存物理模型和数值算法的理论手册、仿真分析最佳实践导则，为用户提供程序使用帮助。

性能分析平台的工作流程如下：如图3所示，利用管理模块格式化信息并新建项目，对计算模块中的分析类型、模型及模型参数进行设定，再前处理模块中导入项目对象的几何信息，网格划分，定义求解边界条件，在计算模块内设定信息，并计算模块进行步数、步长、残差等计算并输出控制，对计算的结果后处理(如界面提取和点提取)，保存项目信息，结束。

如图4所示，环腔截面内形状主要由5个参数控制：外环腔宽度h

如图5所示，对h

性能分析平台求解的模型如下：

一、气相模型

求解模型包括RANS方程，求解气体的速度分布和压力分布，模型方程为：

其中ρ为气体密度，μ为动力粘度系数，u

二、湍流模型

湍流方程主要采用标准k-ε模型和Realizable k-ε模型，并配合壁面增强技术求解。

湍动能k求解方程为：

G

湍流耗散率ε的方程如下：

其中，C

湍动粘性系数表示为：

标准k-ε模型中，C

三、能量方程

能量方程，求解气体的温度分布，模型方程为：

其中κ为热导率，S

四、组分方程

组分输运方程，求解水蒸气组分输运，模型方程为：

其中α为组分系数，S

五、液膜模型

由于液膜厚度非常小且仅沿着壁面流动，因此认为液膜不占气体流动空间，单独创建贴着壁面的液膜计算域，在液膜厚度与长度方向定义虚拟网格。

液膜守恒方程由下式表示：

其中，δ表示液膜厚度，U为液膜平均速度，

由于液膜只是沿着壁面方向一维流动，因此简化的动量方程由Nusselt理论得出：

其中，y为垂直于壁面的方向，θ为壁面与水平方向的倾角。

上述的Nusselt理论在推导动量方程时，设气液相界面处切应力为零，在安全壳液膜蒸发过程中气液相界面存在切应力，因此边界条件为：

u(0)＝0

积分动量方程得速度分布为：

沿液膜厚度积分，可得液膜线流速为：

因此气液相界面处速度为：

液膜平均速度为：

其中，τ表示为：

f为摩擦系数，包含气液相界面切应力及液膜波动效应，即：

f＝f

f

f

其中：R

液膜换热计算依据液膜热阻分层理论计算可得，液膜总热阻表示为：

其中sub表示液膜底层，w表示表面波动层。

六、蒸发模型

液膜蒸发时，水蒸气和空气的通量表示为：

其中，W表示质量分数，n表示垂直于气液交界面的方向，以上两式等号右边两项分别表示对流项和扩散项。

由于空气不可能穿过液膜表面，故在气液交界面处有：

m”

在交界面处水蒸气的质量通量为：

因此，蒸发质量源为

七、辐射模型

热辐射是温度高于绝对零值的所有物质发出的电磁波，表示热能转换为电磁能，物质中带电粒子的热运动导致电荷加速和偶极子振荡，即驱动耦合电场和磁场的电动力产生，从而使热辐射发射。

理想情况下物理表面的辐射能可以采用斯特藩玻尔兹定律表达为：

q

其中：q

现实中辐射表面所释放的辐射能则要小于理想辐射面，辐射热量取决于辐射表面发射率。

辐射导致的热流变化施加到能量方程的源项中。不同的模型获取源项。主要求解方程如下：

其中，Γ＝1/(3(a+σ

八、气相耦合

主要来自于温度项对粘性系数和密度影响：

九、温度耦合

由于受到气相速度以及方程源项为壁面辐射热G

S

其中导热项和蒸发项仅在壁面层网格生效：

G

G

十、湿度组分耦合

水膜蒸发项等于湿气输运生成项：

S

十一、液膜耦合

气相速度对水膜表面应力项的影响为：

Α＝Α(U

而温度项和压力项和湿度系数对蒸发速率的影响为：

S

十二、能量守恒方程

本实施例中，考虑气相的不可压缩性，对基于内能的气相能量守恒方程简化，得到以气相温度为自变量的方程如：

其中，

上式中，气相导热系数κ由下式给出：

其中，C

本实施例中性能分析平台的边界边界类型及具体设定方法如下表：

本实施例中，性能分析平台的计算模块主要实现物理场的求解，而各个物理场之间的场间耦合关系，如图6所示，水膜流动换热与水膜蒸发相变相互影响，水膜蒸发相变传质率与气相流动换热压力共同决定气相组分运输湿度，水膜蒸发相变换热量与壁面辐射换热量共同影响气相流动换热的温度，气相流动换热速度影响着气相组分运输分布。

本实施例中，性能分析平台可进行残差输出、变量输出和截面输出，其中残差输出如下：

对结果采用正则表达式提取，可提取x方向的残差。

性能分析平台的后处理模块的预定义输出主要包括水膜分布，输出壁面水膜以及其上个物理量分布，包括压力、温度、速度、热流、蒸发速率等。

后处理模块还设置有自定义输出，根据用户自行定义所需要监控点的坐标和变量。

计算后需要对结果进行验证。

验证包括单项验证和复合案例验证，单项验证是对求解计算环节的单个项目进行验证，以确定程序求解模块的正确性。

复合案例验证是通过将本项目提供的实验结果与其他数据进行定性、定量对比，以确定性能分析平台的分析结果是否准确。

一种非能动安全壳水膜冷却性能分析平台的有益效果如下：

可在实际的非能动安全壳水膜冷却系统的设计过程中，对水膜冷却进行合理可靠的计算分析，对实际的项目进行前处理和网格生成，而后利用在计算模块内进行模型植入及设置、计算设置、相关变量的监控，同时计算模块可实时输出结果，然后在后处理模块内对计算结果进行物理量输出或云图输出，性能分析过程简单，且分析过程可靠，用户可自行设定变量，输出所需结果。

本实施中的性能分析平台匹配实际的安全壳水膜冷却系统，可进行水膜模型的分析设计，性能分析平台能够对非能动安全壳水膜冷却系统进行测试模拟，分析出安全壳水膜冷却系统内复杂的换热过程，且得到的结果符合实际需求，结果经过验证，结果准确性高。

以高质量网格进行高精度计算，对几何输入进行内部参数化，以此来得到环腔截面形状，且可供用户输入，使用灵活方便。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。