3.1.1 水力学模型——状态关系式 - 国家核电学习系统

RELAP5/MOD3.2程序简介,内容简介,1、历史2、功能3、基本数学模型及基本建模单元4、软件使用方法5、编程过程6、调试、纠错,1、历史,1966年RELAPSE（Reactor Leak and Power Safety Excursion）1968年RELAP2（Reactor Excursion and Leak Analysis Program）1971年RELAP3(同上）1975年RELAP41980年RELAP4/MOD71995年RELAP5/MOD2、 RELAP5/MOD3.21997年SCDAP/RELAP5/MOD3.22002年RELAP5/MOD3.3,2003年RELAP5-3D（Revision2.2）2005年RELAP5-3D（Revision2.3）至今：大型计算程序间的耦合研究 RELAP5计算模型方法和实时性研究,1、历史,2、功能,RELAP5是Idaho国家工程实验室（INEL）为核管会（NRC）开发的轻水堆瞬态分析程序，现已经成为核电厂分析器的基础。,该计算软件和RETRAN几乎可以覆盖轻水堆核电 厂所有热工水力瞬变和事故谱。,2、功能,3、基本数学模型及基本建模单元,RELAP5/MOD3.2编码说明文件共分七卷： 第一卷：描述模型理论和相应的数值计算方法； 第二卷：详述代码的运用和输入数据准备； 第三卷：介绍评价该软件的实例，检验该模型； 第四卷：详细讨论RELAP5模型和关系式； 第五卷：介绍过去几年内发展状况，提供指导； 第六卷：介绍数值方法如何应用在RELAP5中； 第七卷：介绍独立的评估计算结果。,3.1.1 水力学模型（hydrodynamic models） 包括：场方程，状态关系式，基本组成模型，特殊过程模型，组件模型等。 下面将描述各个模型的具体内容和特点。,3、基本数学模型及基本建模单元,3.1 数学模型,3.1.1 水力学模型场方程,质量守恒,动量守恒,能量守恒,3.1.1 水力学模型状态关系式,在上面三大守恒方程中采用五个独立变量，它们是P 、ag 、Ug 、Uf, 和xn 。其余的热力学变量(温度、密度、局部压力、含汽量等)则 可用这几个独立变量的函数来表示。为使方程线性化，除这些变量外, 还需要一些状态变量，表现为状态关系式，用以确定状态参数。例如：,通过确定流型和选择合适的流动关系式，获得界面曳力、剪切力、虚拟质量系数、壁面摩擦力，通过定义合适的传热机理确定壁面传热系数，虚拟质量则通过空泡份额的计算公式进行推算。RELAP5/MOD2中所有的组成关系式使用时均选择控制体中心为计算点；接管相关参数，也是以接管周围的控制体中心参数进行估算的。组成模型几乎涵盖两相流所有经试验验证的模型。如下图所示。,3.1.1 水力学模型基本组成模型,3.1.1 水力学模型特殊过程模型,3.1.1 水力学模型组件模型,3.1.2 热构件模型,热构件用于模拟计算固体材料与水力学控制体之间的传热量，用于模拟核燃料、电加热板、蒸汽发生器U形管、压力容器壁、堆内构件等，它可以是矩形、柱形或球形；建模时，热构件排列方向与流体流动方向一致，每个热构件有左右两个边界，热构件的每一个边界最多能连接一个水力学控制体，而同一个水力学控制体可以连接多个热构件。下表为具体热构件模型。,3.1.2 热构件模型,3.1.3 TRIP SYSTEM,Trips为各种系统部件的动作提供触发信号，例如使阀门在某一时刻打开，使泵在某时刻断电，设置某些故障等。一般地，Trip的值是True或False两种，并且在程序运行的每一个时刻，Trip的值都会由专门测试程序的检测结果来确定。主要使用的逻辑符号有、等。 RELAP5程序的Trips有两种基本的类型：变量Trip和逻辑Trip。变量Trip用来比较一个计算参数与另一个参数(或常数)，从而确定Trip的值；逻辑Trip是由其他Trip相结合成的新Trip，确定其值。通过使用变量Trip和逻辑Trip，从而确定复杂的逻辑关系。,利用控制系统所列变量可以求解代数方程和一般的微分方程,处理各种参数之间的关系，执行数学和逻辑运算等。控制变量有三种基本的功能：(1)模拟各种设备的控制系统。RELAP5程序的控制变量部件允许使用者模拟现实系统中不存在的虚拟设备部件。例如采用滞后部件、超前滞后部件、比例积分部件和微分部件来模拟一个普通功能的控制器。(2)模拟“集中节点”系统。例如：安全壳、安注箱、流动系统和均衡设备部件等拥有多参数的系统。RELAP5程序可以用控制变量组合成不同的控制逻辑来模拟特定部件的行为，结合这些控制逻辑和简单的函数关系就可以用来模拟基本的热工水力模型和“集中节点”模型之间的相互作用。(3)还可模拟热工水力学部件和热构件的边界条件。,3.1.4 控制系统,点堆反应堆动力学方程：裂变产物衰变模型锕类核素衰变模型方程简化方法反应性反馈反应堆动力学数值方法,3.1.5 点堆动力学模型,3.2 基本建模单元,4、软件使用方法,4.1 Relap5/MOD3.2,输出文件和再启动文件,运行i文件，会得到一个输出文件和一个再启动文件，其后缀名分别为“.o”和 “.r” 。输出文件（o文件）数据：输入文件的数据卡、系统运行后各个部件的参数变化信息和诊断信息以及再启动号码。再启动文件（r文件）数据：瞬态计算的所有参数，用于提取数据和作图。r文件是需要及时保存的重要文件，必须确保其完整性。,稳态运行,Relap5/MOD3.2,安装过程：进入“relap5 3.4MOD34DEMORELAP5InstallRELAP5.bat(双击该文件，按照提示进行操作)”，再将目录relap5 3.4下面的“Run RELAPSCDAPSIM”复制到程序安装后的目录下面即可。,4.2 Relap5/MOD3.4DEMO,操作过程:双击“Run RELAPSCDAPSIM”图标，,30,绘 图,31,提取数据,5、编程过程,所有流动面积； 所有流动长度； 所有垂直方位角； 足够的几何参数以计算水力直径； 壁面粗糙度； 足够的信息以确定流动损失； 初始条件； 泵特性。,5.1 收集和组织信息,5.1.1 水力学,材料厚度； 材料质量； 管子长度； 内外径； 材料类型； 材料物性（温度的函数），如：热导率，密度，比热等； 加热功率（有热源）； 热源位置； 初始温度分布。,5.1.2 热构件,5.1 收集和组织信息,5.1 收集和组织信息,5.1.3 控制系统,控制系统图解； 确定被控制系统的水力学部件（或热构件）与各个控制系统的 关系； 控制器特征； 过滤器特性； 设定点； 增益； 饱和条件； 滞后； 控制部件特性； valve stroke rate； 最大最小泵速； 最大最小循环率。,5.1 收集和组织信息,5.1.4 中子动力学,初始反应性； exposure data； 缓发中子份额数据； 裂变产物产生份额； 锕产生份额； 反应性特性；,5.1 收集和组织信息,5.1.5 其它,1、最终安全分析报告。2、打印相关资料：反应堆压力容器，蒸汽发生器，蒸汽管线，给水线图，稳压器，反应堆冷却剂泵，安注箱，安注管线。3、管路系统和设备图表。4、保护措施、限制条件和具体文件。5、操作程序（或步骤）。6、燃料和反应堆动力学具体信息。7、泵特性（主泵RCP，应急堆芯冷却泵ECCP，排量泵，主、辅给水泵等。8、阀信息。9、装置启动测试数据。,组织好需要模拟的系统相关信息后，接下来就要对系统中要模拟的部件进行隔离，把它们分成一个个的控制体，即“建模”或“节点划分” 。同时，还要定义要模拟的系统的边界条件。系统经过建模后，模型的每一部分被分成具体的部件，与相应的控制体对应。这些控制体被描述为有入口和出口接管的流管，而接管把各种控制体连接在一起，组成整个模型图。ELAP5程序计算的是整个模型的控制体中心的平均流体属性和控制体接管中的流体各种向量属性。系统的模型可以进行非常细致的划分，如每个控制体可以分成两个一般大的节点，但是并不是越细致越好，因为还要考虑计算的稳定性和收敛性、运行的时间和费用等问题。因此，合适的建模是很重要的，这需要由实际计算问题的要求来确定，用户也可以依据自己的经验来确保整个仿真计算的灵敏性和稳定性。最后在建好的模型的基础上，得到边界条件和仿真计算的初始条件，为制作数据输入卡做好准备。,5.2 定义边界条件和进行节点划分,5.2 定义边界条件和进行节点划分,5.3 实例说明,1、并联主泵简单模型 （数据来自大亚湾核电站系