(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 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111400834.8 (22)申请日 2021.11.19 (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　王栋　吴世浩　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. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G16C 20/10(2019.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理 场耦合分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种反应堆严重事故中包壳 行为多尺度多物理场耦合分析方法， 步骤为： 1. 建立不同尺度下的计算模 型； 2.开发耦合接口模 块实现模型间的数据传递； 3.核反应堆系统分析 软件计算稳态运行工况并定义初始条件； 4.核反 应堆系统分析软件开始瞬态事故进程模拟； 5.获 得下栅格板状态参数后， 调用耦合接口模块1传 递数据； 6.采用Fluent、 Abaqus和一维包壳氧化 模型分别开展计算； 7.若步骤6的计算结果均已 收敛， 则调用耦 合接口模块1， 核反应堆系统分析 软件继续运行， 否则调用耦 合接口模块2， 并重复 步骤6、 7； 8： 若计算时间大于终止时间， 则终止计 算。 否则， 进行下一个时间步长的计算， 重复步骤 5～8。 本发明对严重事故进 程预测和分析具有重 要意义。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114091310 A 2022.02.25 CN 114091310 A 1.一种反应堆严重事故中包壳行为多尺度多物理场耦合分析方法， 其特征在于： 包括 如下步骤： 步骤1： 分别建立 不同尺度的计算模型， 具体包 含以下内容： 1)采用核反应堆系统分析 软件建立核反应堆 一回路、 二回路及安全壳系统模型； 2)采用计算流体力学软件Fluent和有限元分析软件Abaqus分别建立全堆芯全尺寸燃 料组件的几何模型和网格模型； 3)在各个燃料棒沿轴向等距离选取多个 高度， 再在各个高度沿周向等角度选取多个位 置， 最后沿包壳径向进行精细的网格划分， 建立 一维包壳氧化模型， 该模型包括以下内容： Ⅰ.氧原子扩散模型： 式中： CO为氧原子浓度， D为氧原子扩散系 数， r为空间坐标， t为时间； Ⅱ.相界面迁移模型： 式中： p和p ‑1分别 为相邻两相的编号， CO,p为相界面处p相的氧原子浓度， CO,p‑1为相界面处p ‑1相的氧原子浓 度， ξ 为相界面 位置； Ⅲ.化学反应热模型： Q＝q ·ΔF， 式中： Q为化学反应热的热流密度， q为单位物质的量 的锆原子与氧原子结合生成二氧化锆释放的热量， ΔF为相界面处不同相间的氧原子通量 密度差； 步骤2： 采用动态链接库， 开发核反应堆系统分析软件和计算流体力学软件Fluent的耦 合接口模块 1； 采用多物理场耦合工具MPCCI以及计算流体力学软件 Fluent和有限元分析软 件Abaqus的用户自定义函数， 开发Fluent模型、 Abaqus模型和一维包 壳氧化模型的耦合接 口模块2； 耦合接口模块1具体包括以下内容： 1)核反应堆系统分析软件向Fluent模型提供堆芯下栅格板处的温度、 速度、 压力参数 分布， 作为Fluent模型的进口边界条件； 2)Fluent模型向核反应堆系统分析软件提供出口处的温度、 速度、 压力参数分布， 作 为 堆芯上栅格板处的状态参数； 耦合接口模块2具体包括以下内容： 1)Fluent模型能获得全堆芯的温度分布； 一维包壳氧化模型根据全堆芯的温度分布， 更新各个选取位置处的包壳径向温度分布； Abaqus模型根据全堆芯的温度分布， 更新堆芯 的温度分布， 并根据理想气 体状态方程， 计算各个燃料棒的包壳内压， 更新包壳内表面的分 布载荷； 2)Abaqus模型能获得全堆芯包壳的节点坐标和位移， 一维包壳氧化模型根据全堆芯包 壳的节点坐标和位移， 更新各个选取位置处的包壳几何尺寸； Fluent模型根据全堆芯包壳 的节点坐标和位移， 更新流体域和固体域的边界， 再通过自适应网格， 优化计算域的网格布 置； 3)一维包壳氧化模型能获得各个选取位置处的氧原子浓度和化学反应热源分布， Fluent模型根据各个选取位置处的氧原子浓度和化学反应热源分布， 采用插值方法， 并结权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114091310 A 2合堆芯温度分布， 更新堆芯各处的包壳物性和导热方程源项； Abaqus模型根据各个选取位 置处的氧原子浓度和化学反应热源分布， 采用插值方法， 并结合堆芯温度分布， 更新堆芯各 处的包壳物性； 步骤3： 定义核反应堆系统模型、 Fluent模型、 Abaqus模型和一维包壳氧化模型的初始 条件， 具体包括以下内容： 1)采用核反应堆系统分析 软件， 获得 稳态运行工况 下的反应堆状态； 2)根据稳态下的堆芯状态， 定义Fluent模型中初始的温度、 速度 参数场， 定义Abaqus模 型中的初始温度场， 定义 一维包壳氧化模型 各个选取位置处的径向温度分布； 3)Abaqus模型中各个燃料棒包壳的初始应变为0， 内压为核反应堆系 统分析软件 的计 算值， 各个燃料棒包壳的两端设置为固定约束； 4)一维包壳氧化模型 各个选取位置处的初始氧原子浓度为0； 5)Fluent模型和Abaqus模型根据4)中的初始氧原子浓度， 采用插值方法， 结合堆芯温 度场， 计算 堆芯各处的初始包壳物性； 步骤4： 在核反应堆系统分析软件中定义事故类型和安全系统启动逻辑， 开始瞬态进程 模拟； 步骤5： 当核反应堆系统分析软件计算获得堆芯下栅格板处的温度、 速度、 压力参数分 布时， 暂停运行， 调用耦合接口模块1， 将相关参数传递给 Fluent模型； 步骤6： 采用Fluent模型计算获得堆芯温度、 速度、 压力参数分布， 采用Abaqus模型计算 获得各个燃料棒包壳的应力应变状态， 采用一维包壳氧化模型计算 获得各个选取位置处的 氧原子浓度和化学反应热源分布； 步骤7： 若Fluent模型计算的堆芯温度、 速度、 压力参数分布、 Abaqus模型计算的各个燃 料棒包壳的应力应变状态、 一维包壳氧化模型计算的各个选取位置处的氧原子浓度和化学 反应热源分布与上一次迭代计算结果间的相对误差小于 设定值， 则调用耦合接口模块 1， 将 Fluent模 型出口处的温度、 速度、 压力参数分布传递给核反应堆系统分析软件， 核反应堆系 统分析软件继续运行， 完成本次时间步长内的后续计算， 随后执行步骤8； 否则调用耦合接 口模块2， 并重复步骤6和步骤7； 步骤8： 若计算时间大于设定的终止时间， 则终止计算； 否则， 进行下一个时间步长的计 算， 重复步骤5～8。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114091310 A 3