一种乏燃料贮存水池热工水力分析方法及装置与流程

1.本发明涉及核电厂乏燃料贮存设计技术领域，具体涉及一种乏燃料贮存水池热工水力分析方法及装置。


背景技术：

2.随着核电厂装机容量逐渐增大，大量具有放射性和衰变热的乏燃料从堆芯卸出，由于各国针对乏燃料后处理制定的政策、路线尚不明确，这些乏燃料大多被迫存放在核电厂的乏池中。为了提高池内贮存能力，现役商用核电厂广泛采用高密度贮存方法来增加其存放量，贮存单元更加紧凑、乏燃料存放时间更长，造成乏池及贮存格架等设施设计的安全裕量被逐渐压缩。为了保证乏燃料贮存设施及其内存放的乏燃料组件的安全性，需要进行详细的热工水力计算分析。
3.由于乏池本身体量较大，池内可能存放有上千个高放射性的乏燃料组件，目前主要采用relap、melcor等系统程序或者cobra等子通道程序进行乏池的热工水力分析，鉴于以上程序本身的局限性，无法提供池内三维流动、传热的细节特征，近年来cfd(计算流体力学)技术被逐渐应用于乏池的设计研究中。但是由于燃料组件结构极为复杂，且池内存放量巨大，难于实现针对整池进行直接建模模拟，因而建立的模型都较为粗糙，例如忽略贮存格架或者将贮存格架整体简化为长方体等。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种乏燃料贮存水池热工水力分析方法，在消耗较少计算资源的基础上能够快速、准确、精细完成乏燃料贮存设施的热工水力设计和安全分析，还相应提供一种实现该乏燃料贮存水池热工水力分析方法的装置。
5.解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
6.本发明提供一种乏燃料贮存水池热工水力分析方法，包括：
7.构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，并构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，
8.定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的固体区域和流体区域并设定相应的边界，且分别定义各贮存单元模型的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，
9.对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，形成整体网格模型，
10.获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。
11.可选地，所述贮存单元模型包括贮存套管、位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域，位于贮存套管内的燃料组件，所述贮存套管和位于贮存套管外侧周围一定范围内的
流域组成贮存体，所述贮存单元模型还包括与贮存体对应的格架底板区域，以及格架下方与贮存体对应的流域。
12.可选地，定义贮存单元的固体区域、流体区域和多孔介质区域，具体包括：
13.定义所述贮存单元的贮存套管为套管固体区域，
14.定义所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件为燃料组件多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域为贮存格架多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架下方流域为格架下方多孔介质区域，
15.定义所述贮存单元的贮存套管内除燃料组件的其余区域为套管内流体区域，定义所述贮存单元的贮存套管外侧周围一定范围内的流域为套管外流体区域，定义所述套管外流体区域对应的格架底板区域为底板多孔介质区域。
16.可选地，所述贮存格架多孔介质区域的计算模型如下式所示：
[0017][0018][0019]
sm＝ss+sh+sf[0020][0021][0022][0023]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数，u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。可选地，所述燃料组件多孔介质区域的计算模型如下式所示：
[0024][0025][0026]
sm＝ss+sh+sf[0027][0028][0029]
[0030]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数；se为所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的发热体积热源；u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。可选地，在正常贮存工况下，获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：
[0031]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的正常水位为自由液面，并获取第三类传热边界条件，定义乏池的池壁为绝热壁面；定义冷却水进口接管为质量流量进口边界，定义冷却水出口接管为压力出口边界，
[0032]
定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面；
[0033]
在失水事故工况下，获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：
[0034]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体为开口边界条件，定义乏池的池壁、冷却水进口接管和冷却水出口接管为壁面边界，
[0035]
定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面。
[0036]
可选地，还包括：根据乏燃料贮存水池中流体的温度场分布，计算流体的平均温度，
[0037]
再从乏燃料贮存水池温度场分布中找寻温度最高的燃料元件，并基于所述流体的平均温度和燃料元件包壳传热计算模型计算所述燃料元件的包壳温度。
[0038]
可选地，在正常贮存工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：
[0039]qfuel
＝q
con
[0040]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0041][0042][0043]
在失水事故工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：
[0044]qfuel
＝q
con
+q
rad
[0045][0046]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0047]
[0048][0049]
其中，q
fuel
为温度最高的燃料元件的释放衰变热量；q
con
为温度最高的燃料元件包壳的对流换热量；h为表面传热系数；a为对流换热表面积；tf为流体的平均温度；tw为温度最高的燃料元件的包壳表面温度。l为对流换热表面的特征长度；λ为流体的热传导系数，nu为努塞尔数；f为流动的darcy阻力系数；re、prf分别为流动雷诺数和流体普朗特数；c
t
为修正系数，对于液体c
t
＝(prf/prw)
0.11
，对于气体c
t
＝(tf/tw)
0.45
；tf、prf分别为流体的平均温度以及该温度下流体的普朗特数；d为特征长度；tw、prw分别温度最高的燃料元件包壳表面温度以及该包壳表面温度下流体的普朗特数；q
rad
为温度最高的燃料元件包壳辐射换热量；εe为温度最高的燃料元件包壳表面等效发射率；σ为stefan-boltzmann常数。
[0050]
本发明还提供一种乏燃料贮存水池热工水力分析装置，包括：
[0051]
建模模块，用于构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，还用于构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，
[0052]
结构化网格模块，用于定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的固体区域和流体区域并设定相应的边界，且分别定义各贮存单元模型的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，
[0053]
还用于对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，形成整体网格模型，
[0054]
仿真模块，用于获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。
[0055]
可选地，所述贮存单元模型包括贮存套管、位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域，位于贮存套管内的燃料组件，所述贮存套管和位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域组成贮存体，所述贮存单元模型还包括与贮存体对应的格架底板区域，以及格架下方与贮存体对应的流域。
[0056]
可选地，所述结构化网格模块定义贮存单元的固体区域、流体区域和多孔介质区域，具体包括：
[0057]
定义所述贮存单元的贮存套管为套管固体区域，
[0058]
定义所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件为燃料组件多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域为贮存格架多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架下方流域为格架下方多孔介质区域，
[0059]
定义所述贮存单元的贮存套管内除燃料组件的其余区域为套管内流体区域，定义所述贮存单元的贮存套管外侧周围一定范围内的流域为套管外流体区域，定义所述套管外流体区域对应的格架底板区域为底板多孔介质区域。
[0060]
可选地，所述贮存格架多孔介质区域的计算模型如下式所示：
[0061][0062]
[0063]
sm＝ss+sh+sf[0064][0065][0066][0067]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数，u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。
[0068]
可选地，所述燃料组件多孔介质区域的计算模型如下式所示：
[0069][0070][0071]
sm＝ss+sh+sf[0072][0073][0074][0075]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数；se为所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的发热体积热源；u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。
[0076]
可选地，在正常贮存工况下，仿真模块获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：
[0077]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的正常水位为自由液面，并获取第三类传热边界条件，定义乏池的池壁为绝热壁面；定义冷却水进口接管为质量流量进口边界，定
义冷却水出口接管为压力出口边界，
[0078]
定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面；
[0079]
在失水事故工况下，仿真模块获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：
[0080]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体为开口边界条件，定义乏池的池壁、冷却水进口接管和冷却水出口接管为壁面边界，
[0081]
定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面。
[0082]
可选地，还包括后处理模块，所述后处理模块用于根据乏燃料贮存水池中流体的温度场分布，计算流体的平均温度，再从乏燃料贮存水池温度场分布中找寻温度最高的燃料元件，并基于所述流体的平均温度和燃料元件包壳传热计算模型计算所述燃料元件的包壳温度。
[0083]
可选地，在正常贮存工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：
[0084]qfuel
＝q
con
[0085]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0086][0087][0088]
在失水事故工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：
[0089]qfuel
＝q
con
+q
rad
[0090][0091]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0092][0093][0094]
其中，q
fuel
为温度最高的燃料元件的释放衰变热量；q
con
为温度最高的燃料元件包壳的对流换热量；h为表面传热系数；a为对流换热表面积；tf为流体的平均温度；tw为温度最高的燃料元件的包壳表面温度。l为对流换热表面的特征长度；λ为流体的热传导系数，nu为努塞尔数；f为流动的darcy阻力系数；re、prf分别为流动雷诺数和流体普朗特数；c
t
为修正系数，对于液体c
t
＝(prf/prw)
0.11
，对于气体c
t
＝(tf/tw)
0.45
；tf、prf分别为流体的平均温度以及该温度下流体的普朗特数；d为特征长度；tw、prw分别温度最高的燃料元件包壳表面温度以及该包壳表面温度下流体的普朗特数；q
rad
为温度最高的燃料元件包壳辐射换热量；εe为温度最高的燃料元件包壳表面等效发射率；σ为stefan-boltzmann常数。
[0095]
本发明通过构建由多个贮存单元模型拼装形成的乏燃料贮存模型，以及构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，并进行结构化网格划分和仿真模拟，从而能够耦合模拟分析池内流动、传热特性，计算输出池内三维物理场分布，包括池内流体的温度、压力、流速、流量等以及贮存格架的温度；由于模型细化至每个贮存单元，在有效降低建模难度的同时保证计算分析能够覆盖池内每台贮存格架及其内存放的每个燃料组件，避免了由于局部分析尺度过大对于设计安全造成威胁的问题，从而与现有技术相比，本发明能够更为准确、精细的评价乏燃料贮存的安全性，以提高贮存设施的经济性和安全性。
附图说明
[0096]
图1为核电厂典型乏池结构的几何模型示意图；
[0097]
图2为典型乏燃料贮存格架的结构示意图；
[0098]
图3为典型商用压水堆燃料组件的结构示意图；
[0099]
图4为本发明实施例1提供的乏燃料贮存水池热工水力分析方法的流程图；
[0100]
图5为本发明方法的贮存单元简化建模结构示意图。
[0101]
图中：1、乏池液面(正常贮存工况)/乏池与厂房大空间的界面(严重事故工况下)；2、冷却水进口接管；3、冷却水出口接管；4、侧面池壁；5、i区贮存格架；6、ii区贮存格架；7、其它设备占位；8、底部池壁；9、贮存套管；10、底板；11、支座；12、上管座；13、定位格架；14、燃料元件；15、下管座；16、套管内流体区域；17、套管固体壁面；18、套管外流体区域；19、燃料组件区域；20、底板流水孔区域；21、底板多孔介质区域；22、格架下方多孔介质区域。
[0102]
注：将 10-底板区域划分为若干个 20-底板流水孔区域和21-底板多孔介质区域。
具体实施方式
[0103]
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
[0104]
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0105]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
[0106]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0107]
本发明提供一种乏燃料贮存水池热工水力分析方法，包括：
[0108]
构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，并构建位
于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，
[0109]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的固体区域和流体区域并设定相应的边界，且分别定义各贮存单元模型的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，
[0110]
对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，形成整体网格模型，
[0111]
获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。
[0112]
本发明还提供一种乏燃料贮存水池热工水力分析装置，包括：
[0113]
建模模块，用于构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，还用于构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，
[0114]
结构化网格模块，用于定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的固体区域和流体区域并设定相应的边界，且分别定义各贮存单元模型的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，
[0115]
还用于对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，形成整体网格模型，
[0116]
仿真模块，用于获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。
[0117]
实施例1：
[0118]
乏池作为核电厂的临时贮存设施，用于存放入堆前的新燃料以及刚从堆芯卸出的乏燃料。对于乏燃料，待其衰变热及放射性降低至标准要求以下再进行后续操作。如图1所示，典型乏池的主体是长方形的水池，侧面池壁4以及底部池壁8是由较厚的钢筋混凝土构成，并在内侧覆有不锈钢层。在正常贮存工况下，池内始终注满含硼水，且布置有贮存乏燃料的贮存格架，贮存格架之间相互独立。池内冷却依靠为其配套设计的冷却系统完成。冷却水进口接管2布置在顶部并伸入乏池1液面以下，冷却水出口接管3则布置在格架上方位置，形成的冷却循环将池水维持在设计要求范围内的温度以保证安全。
[0119]
由于乏池本身体量较大，池内可能存放有上千个高放射性的乏燃料组件，但是由于燃料组件结构极为复杂，且池内存放量巨大，难于实现针对整池进行直接建模模拟，因而建立的模型都较为粗糙，例如忽略贮存格架或者将贮存格架整体简化为长方体等，导致模拟所得的数据不够准确和精细。
[0120]
本实施例提供一种乏燃料贮存水池热工水力分析方法，包括：
[0121]
构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，并构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，
[0122]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的固体区域和流体区域并设定相应的边界，且分别定义各贮存单元模型的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，
[0123]
对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，形成整体网格模型，
[0124]
获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。
[0125]
可见，本发明通过构建由多个贮存单元模型拼装形成的乏燃料贮存模型，以及构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，并进行结构化网格划分和仿真模拟，从而能够耦合模拟分析池内流动、传热特性，计算输出池内三维物理场分布，包括池内流体的温度、压力、流速、流量等以及贮存格架的温度；由于模型细化至每个贮存单元，在有效降低建模难度的同时保证计算分析能够覆盖池内每台贮存格架及其内存放的每个燃料组件，避免了由于局部分析尺度过大对于设计安全造成威胁的问题。从而与现有技术相比，本发明能够更为准确、精细的评价乏燃料贮存的安全性，以提高贮存设施的经济性和安全性。
[0126]
具体地，可采用以下两种方式构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，并构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型：
[0127]
方式一：构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，在乏燃料贮存模型外侧构建乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型；
[0128]
方式二：构建乏池及其冷却水进/出口接管结构体，该乏池及其冷却水进/出口接管结构体中心具有与乏燃料贮存模型配合的空腔，在该空腔内构建乏燃料贮存模型，该乏燃料贮存模型由多个贮存单元模型拼装形成，以形成乏池三维模型。
[0129]
如图2所示，每台格架均由若干个方形的贮存套管9阵列排布而成，在每个贮存套管9内放置一个燃料组件，在格架的底板10对应于燃料组件的位置则开有流水孔，以维持套管内的冷却水循环流动。整台贮存格架坐落在底部池壁8上，通过支座11支撑。
[0130]
以典型商用压水堆燃料组件为例，如图3所示，燃料组件为17
×
17排列的正方形栅格结构，主要由骨架和264根燃料元件14组成。其中骨架则由24根导向管、1根仪表管、11个定位格架13、上管座12、下管座15以及相应的连接件组成，结构非常复杂。
[0131]
本实施例在建模时，以每个贮存套管及其内的燃料组件为一个基本单元，构建具有流域的贮存单元模型，再复制多个贮存单元模型并拼装形成具有流域的乏燃料贮存模型。
[0132]
具体地，所述贮存单元模型包括贮存套管、位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域，位于贮存套管内的燃料组件，所述贮存套管和位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域组成贮存体，所述贮存单元模型还包括与贮存体对应的格架底板区域，以及格架下方与贮存体对应的流域。
[0133]
本实施例中，定义贮存单元的固体区域、流体区域和多孔介质区域，具体包括：
[0134]
定义所述贮存单元的贮存套管为套管固体区域，
[0135]
定义所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件为燃料组件多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域为贮存格架多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架下方流域为格架下方多孔介质区域，
[0136]
定义所述贮存单元的贮存套管内除燃料组件的其余区域为套管内流体区域，定义所述贮存单元的贮存套管外侧周围一定范围内的流域为套管外流体区域，定义所述套管外
流体区域对应的格架底板区域为底板多孔介质区域。
[0137]
本实施例中，所述贮存格架多孔介质区域的计算模型如下式所示：
[0138][0139][0140]
sm＝ss+sh+sf[0141][0142][0143][0144]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数，u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。
[0145]
本实施例中，所述燃料组件多孔介质区域的计算模型如下式所示：
[0146][0147][0148]
sm＝ss+sh+sf[0149][0150][0151][0152]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数；se为所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的发热体积热源；u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。
[0153]
实践表明，本发明基于多孔介质模型，采用自主开发的贮存单元及其计算模型，简化处理贮存格架以及燃料组件的结构细节，能够在保证准确模拟计算池内冷却水的流场和温度场分布、贮存格架的温度以及乏燃料元件的温度的前提下减少模拟所需消耗的计算资源。
[0154]
本实施例中，在正常贮存工况下，获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：
[0155]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的正常水位为自由液面，并获取第三类传热边界条件，定义乏池的池壁为绝热壁面；定义冷却水进口接管为质量流量进口边界，定义冷却水出口接管为压力出口边界，
[0156]
定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面；
[0157]
在失水事故工况下，获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：
[0158]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体为开口边界条件，定义乏池的池壁、冷却水进口接管和冷却水出口接管为壁面边界，
[0159]
定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面。
[0160]
可见，采用本发明方法可以模拟正常贮存工况以及严重事故工况下贮存设施的热工水力特性，进一步提高了贮存设施的经济性和安全性。
[0161]
本实施例中，该方法还包括：根据乏燃料贮存水池中流体的温度场分布，计算流体的平均温度，
[0162]
再从乏燃料贮存水池温度场分布中找寻温度最高的燃料元件，并基于所述流体的平均温度和燃料元件包壳传热计算模型计算所述燃料元件的包壳温度。
[0163]
具体地，在正常贮存工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：
[0164]qfuel
＝q
con
[0165]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0166][0167][0168]
在失水事故工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：
[0169]qfuel
＝q
con
+q
rad
[0170][0171]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0172]
[0173][0174]
其中，q
fuel
为温度最高的燃料元件的释放衰变热量；q
con
为温度最高的燃料元件包壳的对流换热量；h为表面传热系数；a为对流换热表面积；tf为流体的平均温度；tw为温度最高的燃料元件的包壳表面温度。l为对流换热表面的特征长度；λ为流体的热传导系数，nu为努塞尔数；f为流动的darcy阻力系数；re、prf分别为流动雷诺数和流体普朗特数；c
t
为修正系数，对于液体c
t
＝(prf/prw)
0.11
，对于气体c
t
＝(tf/tw)
0.45
；tf、prf分别为流体的平均温度以及该温度下流体的普朗特数；d为特征长度；tw、prw分别温度最高的燃料元件包壳表面温度以及该包壳表面温度下流体的普朗特数；q
rad
为温度最高的燃料元件包壳辐射换热量；εe为温度最高的燃料元件包壳表面等效发射率；σ为stefan-boltzmann常数。
[0175]
本发明基于自主开发的燃料元件包壳传热计算模型计算相应工况下池内燃料组件的最高包壳温度，进而保证了所有乏燃料在池内的安全贮存。
[0176]
采用本发明方法针对核电厂典型乏燃料贮存水池系统进行热工水力分析，按照以下步骤具体实施：
[0177]
(1)几何结构建模
[0178]
采用三维模型建模软件针对整个乏池系统，包括乏池、冷却水进/出口接管、池内贮存格架以及燃料组件等实际结构建立三维几何模型，模型包含由乏池底部池壁至乏池液面位置范围内的全部结构；模型细化至每个贮存单元，即由每个贮存套管对应的格架底部流域、底板开孔区域以及放置的一个燃料组件组成的基本流动、传热单元，在有效降低建模难度的同时保证计算分析能够覆盖池内每台贮存格架及其内存放的每个燃料组件，避免由于局部分析尺度过大对于设计安全造成威胁。
[0179]
由于系统设计及设施布置不具有对称性，因此需针对整个乏池系统搭建完整的模型，包括：
[0180]
(1.1)乏池：
[0181]
考虑到在正常贮存工况下，池内始终充满含硼水，因此池内流体区域建模由底部池壁8至乏池液面1；将侧面池壁4以及底部池壁8直接设置为壁面，而不考虑池体本身结构的影响；
[0182]
(1.2)冷却水进/出口接管：
[0183]
在乏池顶部建立伸入液面以下的2-冷却水进口接管，并在水池侧面建立3-冷却水出口接管，用以模拟冷却系统的冷却水强迫循环。
[0184]
(1.3)乏燃料贮存格架
[0185]
由于每台贮存格架底部由支座11支撑，支座11的存在导致底板10上针对燃料组件的开孔也将随之调整，每台格架上底板上的开孔形状、位置、尺寸均可能不一致，且随着设计深入还会发生调整。为了简化模型，实现快速调整，将底板开孔区域以及格架下方流体区域均按照贮存套管9的位置划分对应的单元区域。如图4所示，除划分套管外流体区域18(位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域)、套管内流体区域16以及套管固体壁面17外，还将底板对应贮存套管位置划分出底板流水孔区域20，对应套管外流体区域18划分出底板多孔介质区域21，此外，还将格架下方流域对应贮存体(贮存套管和套管外流体区域18组成)位
置划分出格架下方多孔介质区域22。
[0186]
(1.4)燃料组件
[0187]
由于燃料组件的结果非常复杂，针对单个组件实际结构直接建模计算即需要耗费大量资源，同时这些结构细节对于整池的流场分布却影响较小，因此将燃料组件简化处理为多孔介质模型。
[0188]
如图4所示，由套管外流体区域18、套管内流体区域16和燃料组件区域19以及底板流水孔区域20、底板多孔介质区域21和格架下方流体区域22构成一个贮存单元。
[0189]
(2)乏池模型网格划分
[0190]
将乏池三维模型导入网格生成软件划分网格单元，并分别定义各个固体区域、流体区域以及多孔介质区域，定义相应的边界，形成网格模型；
[0191]
(3)贮存单元计算模型开发
[0192]
将乏池网格模型导入到cfd软件中，通过编制udf(用户自定义函数)在每个贮存单元内设置贮存单元计算模型，具体地，分别将每个贮存单元对应的燃料组件区域19、底板流水孔区域20、底板多孔介质区域21以及格架下方多孔介质区域22设置为多孔介质区域，通过编制udf设置贮存单元计算模型，与池内冷却水流域以及贮存格架固体区域进行耦合热工水力分析。
[0193]
(3.1)贮存格架多孔介质模型
[0194]
在乏燃料贮存水池内按区放置有多台相对独立的贮存格架，格架由底部支座提供支撑，在格架底板对应于燃料组件的位置开有流水孔，以维持单元内冷却水循环；由于每台格架的支座和底板流水孔的结构、位置并不一致，为了简化模型将支座区域以及底板流水孔区域分别设置为多孔介质区域，基于试验得到的局部结构阻力系数，在动量守恒方程内定义流动阻力源项，用以模拟结构细节造成的压力损失，进而获得这些结构细节对于贮存单元内冷却剂循环流量的影响；
[0195][0196][0197]
sm＝ss+sh+sf[0198][0199][0200][0201]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数，u为流体速度矢量，
μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。(3.2)燃料组件多孔介质模型
[0202]
由于燃料组件的结构极为复杂，在池内的排列又极为规整，为了简化模型将每个燃料组件设置为一个多孔介质区域，通过基于试验得到的燃料组件阻力系数以及乏燃料衰变热功率在动量方程和能量方程内分别定义流动阻力和燃料发热源项，模拟冷却水通过燃料组件的流动、传热特性，即模拟流体流经燃料组件后造成的压力损失和温度升高；
[0203][0204][0205]
sm＝ss+sh+sf[0206][0207][0208][0209]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、格架底板流水孔以及燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,
f分别为贮存格架支座、格架底板流水孔以及燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、格架底板流水孔以及燃料组件区域的惯性阻力系数；se为燃料组件发热体积热源；
[0210]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数；se为所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的发热体积热源；u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。
[0211]
(4)乏池热工水力分析模型
[0212]
在cfd软件中设置材料物性、边界条件、物理模型以及求解方法等，形成热工水力耦合分析模型，可分别用于进行正常贮存工况以及严重事故工况下的分析评估。分别选取设置乏池、冷却水进/出口接管、贮存单元区域的材料物性，在迭代计算过程中cfd软件根据温度、压力等参数自动调用；出于保守计算考虑将乏池的侧面池壁4以及底部池壁8均设置为绝热壁面，其它边界条件视计算工况而定。
[0213]
正常贮存工况
[0214]
在正常贮存工况下，池内注满含硼水，并由配备的冷却系统维持池内水温满足设计要求。因此，将乏池内流体区域设置为冷却水，将乏池模型的正常水位定义为自由液面，在此设置第三类传热边界以模拟液面向厂房大空间的散热；出于保守计算考虑，将乏池的池壁设置为绝热壁面；在冷却水进口接管设置质量流量进口边界，在冷却水出口接管设置
压力出口边界，用以模拟冷却水强迫循环，耦合分析冷却管线设计对于池内热工水力特性的影响；
[0215]
严重事故工况
[0216]
一旦乏燃料贮存水池系统发生失水事故，例如冷却系统失效或者池底大破口等，燃料组件的衰变热将持续加热池内剩余冷却水直至蒸发、沸腾，池内水位不断下降，最为严重的情况即是池内冷却水完全流失，仅能依靠空气自然对流排出热量。此时池内流体区域改为空气，将冷却水进口、出口接管均设置为壁面边界，切断冷却水强迫循环；将正常工况模型的自由液面边界修改设置为开口边界条件，即允许空气自由进、出乏池，以模拟厂房大空间散热条件；
[0217]
在不同工况模拟过程中，乏池热工水力分析模型均需要设置湍流模型和浮升力模型，用以模拟池内流体强迫循环和自然循环的耦合效应。
[0218]
收敛判据包括：a.计算残差达到足够小；b.监控冷却水/空气出口流量以及燃料组件最高温度等关键参数不再发生变化。
[0219]
数值模拟结束，输出池内三维的流场、温度场分布。
[0220]
(5)燃料元件包壳传热计算模型开发
[0221]
在cfd软件中通过热工水力分析模型计算得到整池内冷却水/空气的温度分布，包括每个贮存单元进口冷却水/空气的流量和温度，将这些结果数据作为边界条件传递给在udf中开发的燃料元件包壳传热计算模型进行每个贮存单元内燃料元件的传热计算。
[0222]
每个贮存单元内存放一个燃料组件，组件的每根燃料棒均浸没在冷却水/空气中，在正常贮存工况下udf模型需要计算冷却水与燃料包壳之间对流换热；在严重事故工况下，udf模型需要计算空气与燃料包壳之间的对流换热和辐射换热。
[0223]
因此根据已经计算得到的贮存单元进口流量和温度，基于燃料棒的发热功率，采用本发明开发的燃料元件包壳传热计算模型可计算得到冷却水/空气在燃料包壳表面的传热系数，进而得到冷却水/空气与包壳表面的温差，温差加上冷却水/空气的温度就得到燃料包壳的温度。该燃料包壳温度即是用于判断燃料是否安全贮存的判断准则。
[0224]
在cfd软件中通过编制udf开发燃料元件传热计算模型，根据每个贮存单元内的热工水力特性计算燃料包壳的温度。在冷却水/空气与燃料元件之间建立传热模型。
[0225]
正常工况：
[0226]qfuel
＝q
con
[0227]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0228][0229]qfuel
为燃料元件的释放衰变热量。q
con
为燃料元件包壳的对流换热量；h为表面传热系数；a为对流换热表面积；tf为流体的平均温度；tw为燃料元件包壳表面温度。l为对流换热表面的特征长度；λ为流体的热传导系数。
[0230]
采用gnielinski公式计算对流传热：
[0231]
[0232]
其中：nu为努塞尔数；f为流动的darcy阻力系数；re、prf分别为流动雷诺数和流体普朗特数；c
t
为修正系数,对于液体c
t
＝(prf/prw)
0.11
，对于气体c
t
＝(tf/tw)
0.45
；tf、prf分别为流体的平均温度以及该温度下流体的普朗特数；d为特征长度；l为对流换热表面的特征长度；tw、prw分别燃料元件包壳表面温度以及该温度下流体的普朗特数。
[0233]
对于严重事故工况，还要考虑燃料元件包壳的辐射换热：
[0234]qfuel
＝q
con
+q
rad
[0235][0236]
其中：q
rad
为燃料元件包壳辐射换热量；εe为燃料元件包壳表面等效发射率；σ为stefan-boltzmann常数。
[0237]
综上，本发明通过针对乏池、冷却水进/出口接管以及贮存格架的实际结构、布置进行三维建模，能够准确耦合模拟分析池内流动、传热特性，模拟计算得到整个乏池乃至每个贮存单元内冷却水的流场、温度场分布，同时得到贮存格架的温度分布。基于多孔介质模型，采用自主开发的贮存单元计算模型，简化处理贮存格架以及燃料组件的结构细节，从而减少模拟所需消耗的计算资源。采用本发明方法可以模拟正常贮存工况以及严重事故工况下贮存设施的热工水力特性。同时基于自主开发的燃料元件包壳传热计算模型计算相应工况下池内每个燃料组件的最高包壳温度，进而保证所有乏燃料在池内的安全贮存。本发明方法能够更为准确、精细的评价乏燃料贮存的安全性，以提高贮存设施的经济性和安全性。
[0238]
实施例2：
[0239]
本实施例提供一种乏燃料贮存水池热工水力分析装置，包括：
[0240]
建模模块，用于构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，还用于构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，
[0241]
结构化网格模块，用于定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的固体区域和流体区域并设定相应的边界，且分别定义各贮存单元模型的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，
[0242]
还用于对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，形成整体网格模型，
[0243]
仿真模块，用于获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。
[0244]
本实施例中，所述贮存单元模型包括贮存套管、位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域，位于贮存套管内的燃料组件，所述贮存套管和位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域组成贮存体，所述贮存单元模型还包括与贮存体对应的格架底板区域，以及格架下方与贮存体对应的流域。
[0245]
本实施例中，所述结构化网格模块定义贮存单元的固体区域、流体区域和多孔介质区域，具体包括：
[0246]
定义所述贮存单元的贮存套管为套管固体区域，
[0247]
定义所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件为燃料组件多孔介质区域，定义所述
贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域为贮存格架多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架下方流域为格架下方多孔介质区域，
[0248]
定义所述贮存单元的贮存套管内除燃料组件的其余区域为套管内流体区域，定义所述贮存单元的贮存套管外侧周围一定范围内的流域为套管外流体区域，定义所述套管外流体区域对应的格架底板区域为底板多孔介质区域。
[0249]
本实施例中，所述贮存格架多孔介质区域的计算模型如下式所示：
[0250][0251][0252]
sm＝ss+sh+sf[0253][0254][0255][0256]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数，u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。本实施例中，所述燃料组件多孔介质区域的计算模型如下式所示：
[0257][0258][0259]
sm＝ss+sh+sf[0260][0261][0262][0263]
其中：sm为贮存单元流动阻力源项；ss、sh、sf分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
s、k
perm,
h、k
perm,f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
s、k
loss,
h、k
loss,
f分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域
以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数；se为所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的发热体积热源；u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。本实施例中，在正常贮存工况下，仿真模块获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：
[0264]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的正常水位为自由液面，并获取第三类传热边界条件，定义乏池的池壁为绝热壁面；定义冷却水进口接管为质量流量进口边界，定义冷却水出口接管为压力出口边界，
[0265]
定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面；
[0266]
在失水事故工况下，仿真模块获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：
[0267]
定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体为开口边界条件，定义乏池的池壁、冷却水进口接管和冷却水出口接管为壁面边界，
[0268]
定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面。
[0269]
本实施例中，还包括后处理模块，所述后处理模块用于根据乏燃料贮存水池中流体的温度场分布，计算流体的平均温度，再从乏燃料贮存水池温度场分布中找寻温度最高的燃料元件，并基于所述流体的平均温度和燃料元件包壳传热计算模型计算所述燃料元件的包壳温度。
[0270]
本实施例中，在正常贮存工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：
[0271]qfuel
＝q
con
[0272]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0273][0274][0275]
在失水事故工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：
[0276]qfuel
＝q
con
+q
rad
[0277][0278]qcon
＝ha(t
w-tf)
[0279][0280][0281]
其中，q
fuel
为温度最高的燃料元件的释放衰变热量；q
con
为温度最高的燃料元件包壳的对流换热量；h为表面传热系数；a为对流换热表面积；tf为流体的平均温度；tw为温度最
高的燃料元件的包壳表面温度。l为对流换热表面的特征长度；λ为流体的热传导系数，nu为努塞尔数；f为流动的darcy阻力系数；re、prf分别为流动雷诺数和流体普朗特数；c
t
为修正系数，对于液体c
t
＝(prf/prw)
0.11
，对于气体c
t
＝(tf/tw)
0.45
；tf、prf分别为流体的平均温度以及该温度下流体的普朗特数；d为特征长度；tw、prw分别温度最高的燃料元件包壳表面温度以及该包壳表面温度下流体的普朗特数；q
rad
为温度最高的燃料元件包壳辐射换热量；εe为温度最高的燃料元件包壳表面等效发射率；σ为stefan-boltzmann常数。
[0282]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，包括：构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，并构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的固体区域和流体区域并设定相应的边界，且分别定义各贮存单元模型的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，形成整体网格模型，获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。2.根据权利要求1所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，所述贮存单元模型包括贮存套管、位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域，位于贮存套管内的燃料组件，所述贮存套管和位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域组成贮存体，所述贮存单元模型还包括与贮存体对应的格架底板区域，以及格架下方与贮存体对应的流域。3.根据权利要求2所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，定义贮存单元的固体区域、流体区域和多孔介质区域，具体包括：定义所述贮存单元的贮存套管为套管固体区域，定义所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件为燃料组件多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域为贮存格架多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架下方流域为格架下方多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管内除燃料组件的其余区域为套管内流体区域，定义所述贮存单元的贮存套管外侧周围一定范围内的流域为套管外流体区域，定义所述套管外流体区域对应的格架底板区域为底板多孔介质区域。4.根据权利要求3所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，所述贮存格架多孔介质区域的计算模型如下式所示：架多孔介质区域的计算模型如下式所示：s
m
＝s
s
+s
h
+s
fff
其中：s
m
为贮存单元流动阻力源项；s
s
、s
h
、s
f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
、k
perm,
、k
perm,
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板
开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
、k
loss,
、k
loss,
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数，u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。5.根据权利要求3所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，所述燃料组件多孔介质区域的计算模型如下式所示：件多孔介质区域的计算模型如下式所示：s
m
＝s
s
+s
h
+s
fff
其中：s
m
为贮存单元流动阻力源项；s
s
、s
h
、s
f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
、k
perm,
、k
perm,f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
、k
loss,
、k
loss,
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数；s
e
为所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的发热体积热源；u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。6.根据权利要求3-5任一项所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，在正常贮存工况下，获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的正常水位为自由液面，并获取第三类传热边界条件，定义乏池的池壁为绝热壁面；定义冷却水进口接管为质量流量进口边界，定义冷却水出口接管为压力出口边界，定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面；在失水事故工况下，获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体为开口边界条件，定义乏池的池壁、冷却水进口接管和冷却水出口接管为壁面边界，定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面。7.根据权利要求6所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，还包括：
根据乏燃料贮存水池中流体的温度场分布，计算流体的平均温度，再从乏燃料贮存水池温度场分布中找寻温度最高的燃料元件，并基于所述流体的平均温度和燃料元件包壳传热计算模型计算所述燃料元件的包壳温度。8.根据权利要求7所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，在正常贮存工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：q
fuel
＝q
con
q
con
＝ha(t
w-t
f
))在失水事故工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：q
fuel
＝q
con
+q
rad
q
con
＝ha(t
w-t
f
))其中，q
fuel
为温度最高的燃料元件的释放衰变热量；q
con
为温度最高的燃料元件包壳的对流换热量；h为表面传热系数；a为对流换热表面积；t
f
为流体的平均温度；t
w
为温度最高的燃料元件的包壳表面温度。l为对流换热表面的特征长度；λ为流体的热传导系数，nu为努塞尔数；f为流动的darcy阻力系数；re、pr
f
分别为流动雷诺数和流体普朗特数；c
t
为修正系数，对于液体c
t
＝(pr
f
/pr
w
)
0.11
，对于气体c
t
＝(t
f
/t
w
)
0.45
；t
f
、pr
f
分别为流体的平均温度以及该温度下流体的普朗特数；d为特征长度；t
w
、pr
w
分别温度最高的燃料元件包壳表面温度以及该包壳表面温度下流体的普朗特数；q
rad
为温度最高的燃料元件包壳辐射换热量；ε
e
为温度最高的燃料元件包壳表面等效发射率；σ为stefan-boltzmann常数。9.一种乏燃料贮存水池热工水力分析装置，其特征在于，包括：建模模块，用于构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，还用于构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，结构化网格模块，用于定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的固体区域和流体区域并设定相应的边界，且分别定义各贮存单元模型的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，还用于对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，形成整体网格模型，仿真模块，用于获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔
介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。10.根据权利要求9所述的乏燃料贮存水池热工水力分析装置，其特征在于，所述贮存单元模型包括贮存套管、位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域，位于贮存套管内的燃料组件，所述贮存套管和位于贮存套管外侧周围一定范围内的流域组成贮存体，所述贮存单元模型还包括与贮存体对应的格架底板区域，以及格架下方与贮存体对应的流域。11.根据权利要求10所述的乏燃料贮存水池热工水力分析装置，其特征在于，所述结构化网格模块定义贮存单元的固体区域、流体区域和多孔介质区域，具体包括：定义所述贮存单元的贮存套管为套管固体区域，定义所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件为燃料组件多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域为贮存格架多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管对应的格架下方流域为格架下方多孔介质区域，定义所述贮存单元的贮存套管内除燃料组件的其余区域为套管内流体区域，定义所述贮存单元的贮存套管外侧周围一定范围内的流域为套管外流体区域，定义所述套管外流体区域对应的格架底板区域为底板多孔介质区域。12.根据权利要求11所述的乏燃料贮存水池热工水力分析装置，其特征在于，所述贮存格架多孔介质区域的计算模型如下式所示：格架多孔介质区域的计算模型如下式所示：s
m
＝s
s
+s
h
+s
fff
其中：s
m
为贮存单元流动阻力源项；s
s
、s
h
、s
f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
、k
perm,
、k
perm,
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
、k
loss,
、k
loss,
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数，u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。13.根据权利要求11所述的乏燃料贮存水池热工水力分析装置，其特征在于，所述燃料组件多孔介质区域的计算模型如下式所示：
s
m
＝s
s
+s
h
+s
fff
其中：s
m
为贮存单元流动阻力源项；s
s
、s
h
、s
f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的流动阻力源项；k
perm,
、k
perm,
、k
perm,f
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的渗透率；k
loss,
、k
loss,
、k
loss,
分别为贮存格架支座、所述贮存单元的贮存套管对应的格架底板开孔区域以及位于所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件区域的惯性阻力系数；s
e
为所述贮存单元的贮存套管内的燃料组件的发热体积热源；u为流体速度矢量，μ为流体动力学粘性，ρ为流体密度，p为流体压强，t为流体温度，e为流体能量，τ为流体剪切应力。14.根据权利要求11-13任一项所述的乏燃料贮存水池热工水力分析装置，其特征在于，在正常贮存工况下，仿真模块获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体的正常水位为自由液面，并获取第三类传热边界条件，定义乏池的池壁为绝热壁面；定义冷却水进口接管为质量流量进口边界，定义冷却水出口接管为压力出口边界，定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面；在失水事故工况下，仿真模块获取乏池网格模型中各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件，具体包括：定义乏池及其冷却水进/出口接管结构体为开口边界条件，定义乏池的池壁、冷却水进口接管和冷却水出口接管为壁面边界，定义贮存单元模型与相邻贮存单元模型和/或冷却水进/出口接管结构体相交的界面为内部界面。15.根据权利要求14所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，还包括后处理模块，所述后处理模块用于根据乏燃料贮存水池中流体的温度场分布，计算流体的平均温度，再从乏燃料贮存水池温度场分布中找寻温度最高的燃料元件，并基于所述流体的平均温度和燃料元件包壳传热计算模型计算所述燃料元件的包壳温度。16.根据权利要求15所述的乏燃料贮存水池热工水力分析方法，其特征在于，在正常贮存工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：q
fuel
＝q
con
q
con
＝ha(t
w-t
f
))在失水事故工况下，所述燃料元件包壳传热计算模型为：q
fuel
＝q
con
+q
rad
q
con
＝ha(t
w-t
f
))其中，q
fuel
为温度最高的燃料元件的释放衰变热量；q
con
为温度最高的燃料元件包壳的对流换热量；h为表面传热系数；a为对流换热表面积；t
f
为流体的平均温度；t
w
为温度最高的燃料元件的包壳表面温度。l为对流换热表面的特征长度；λ为流体的热传导系数，nu为努塞尔数；f为流动的darcy阻力系数；re、pr
f
分别为流动雷诺数和流体普朗特数；c
t
为修正系数，对于液体c
t
＝(pr
f
/pr
w
)
0.11
，对于气体c
t
＝(t
f
/t
w
)
0.45
；t
f
、pr
f
分别为流体的平均温度以及该温度下流体的普朗特数；d为特征长度；t
w
、pr
w
分别温度最高的燃料元件包壳表面温度以及该包壳表面温度下流体的普朗特数；q
rad
为温度最高的燃料元件包壳辐射换热量；ε
e
为温度最高的燃料元件包壳表面等效发射率；σ为stefan-boltzmann常数。

技术总结
本发明提供一种乏燃料贮存水池热工水力分析方法及装置，方法包括：构建多个贮存单元模型，多个贮存单元模型拼装形成乏燃料贮存模型，并构建位于乏燃料贮存模型外侧的乏池及其冷却水进/出口接管结构体，以形成乏池三维模型，定义乏池三维模型中的固体区域、流体区域和多孔介质区域并设定相应的边界，对乏池三维模型的各固体区域、流体区域和多孔介质区域进行网格化，获取乏池网格模型中各物相的物性参数，各固体区域、流体区域和多孔介质区域的边界条件、计算模型和收敛判据，以进行数值模拟，得到乏燃料贮存水池的流场和温度场分布。本发明能够在消耗较少计算资源的基础上快速、准确、精细完成乏燃料贮存设施的热工水力设计和安全分析。安全分析。安全分析。


技术研发人员：董建华 李呼昂 张朔婷 汪俊 杨长江 黄树亮 贺楷 陈巧艳 雷宁博 孙燕宇 刘佳泰
受保护的技术使用者：中国核电工程有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/5