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本文给出了用于核反应堆堆芯热工水力瞬态分析的两流体模型。该模型分别列出每一相的质量、动量和能量差分守恒方程,不需要两相有相同的速度和温度。按该模型编制的CASTA-1程序能求解直角座标系的三维方程组。该程序允许选择堆芯顶部和底部的压力或速度边界条件的任意组合。由于该程序还考虑了测边界条件的处理,因此它不仅能用于全堆芯分析,还能用于子通道分析。文中还给出了压水堆和沸水堆堆芯计算实例的比较。
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第
2&
卷第
1
期
清华大学学报
JOURNAL
OF
TSINGHUA
UNIVERSITY
Vol.26
No.1
1986
CASTA-l:
水堆全堆芯和子通道
三维两流体瞬态分析程序
工程物理系悻钢赵兆颐曹栋兴
摘要
本文给出了用于核反应堆堆芯热工水力瞬态分析的两流体模型.该模型分别列出
每 一
相的质量、动
量
和能量差分守恒方程.不需要两相有相同的速度和温度.按该模型
编制的
CASTA-1
程序能求解直角座标系的三维方程组.该程序允许选择堆芯顶部和
底部的压力或速度边界条件的任意组合.由于该程序还考虑了侧边界条件的处理,因此
它不仅能用于全堆芯分析,还能用于子通道分析.文中还给出了压水堆和沸水堆堆芯计
算实例的比较.
关键词
z
反应堆.两流体模型,三维程序,全堆芯.子通道,热工水力.
一、引
言
在核工业部门,正在广泛应用提高反应堆设计安全性和经济性的新技术一一子通道
分析方法。国内已有的水堆子通道程序主要采用一维单流体模型。该模型假设横流与轴
流相比很小,当它一旦进入相邻通道就失去了方向性,还假设汽、被两相处于均匀平衡
状态。上述假设使它难以准确地描写堆内存在的多种实际工况。
为了提高子通道程序的精度及其安全分析的适用范围,在我国很有必要编制一部采
用三维两梳体模型的程序。
CASTA-l
程序就是作者参考美国八十年代的
THERMIT-
2
程序进行改造后编成的。它用
FORTRAN
语言写成,已在
UNIVAC-UOO
和
DPS
-8
机上调试通过。通过多种算例的计算表明,改进后的该程序不但能用于拂水堆有盒
闭式棒束的一般子通道瞬态分析,还能用于压水堆多步链式怯中第一步组合通道分析及.
第二步有侧边界条件开式棒束的子通道分析。而后者在国外是各公司的专利,迄今未见
有公开文献报导其细节
C1J
。另外,
CASTA-l
程序还能计算通道发生严重阻塞等事故工
况,提供堆安全分析所需要的数据。
下面简要介绍
CASTA-l
程序选用的方程,解法及算例。
本文于
1984
年
g
月收到
82
清华大学学报
二、场平衡方程
堆芯内冷却剂过冷或饱和沸腾后,有汽、液两种流体在流动。描写两相流动的场平
衡方程可以有三个、四个、五个或六个。其相应的两相撞模型有均流、扩散、漂移或两
掩体等模型。
均流模型认为堆内汽、液两相具有相同的速度和温度。这与堆内过冷沸腾,环状流
等工况的实际差别较大,因而不能精确地计算堆内两相流的各种参量(如空泡份额等)。
扩散模型又叫混合物模型,它是由扩散流率推导出来的,只能确寇两相流整体的特
性,不能准确反映压力、压差和热量以外的两相拢的局部参量。因为它带有相当程度的
假寇性,如
f
昆合物速度不明确表示是哪种速度。
为了克服上述各模型的缺陷,提出了一种较完善的两流体模型。它把两相流的汽、
液看作两种流体,分别对每种流体给出一组质量、能量和动量方程,对两相就有六个
方程式组成的完整的场平衡方程组。因而它能分别确定两相流场中每相的局部参量,并
可分析两相都处于非平衡状态下的各种工况〈如液相过冷,汽相过热,两相温度不等且
不等于饱和温度
z
又如两相的流速不相等〉。因此,作者决定选用两流体模型来处理堆
芯内可能出现的三维非平衡态分离流等工况,使得
CASTA-l
程序能适应多种堆芯运
行工况的分析。
CASTA-l
程序的场平衡方程是通过对两相不连续介质采用时空平均法使其成为
"连续"介质流场而得到的山。推导过程中忽略了与其它项相比数值很小的粘性应力项和
能量耗散项,并设在控制体内汽被处于同一压力下。下面给出汽、被两相各自的质量、
能量和动量方程=
θ(αρ
u)
/
θ
t
+V'
(αρ
"u
,,)
= r , - W
,.,'
(1)
θ
[
(1
-a)
ρ
IJ/
θ
t+v.[
(1-
α)ρ
IU/)
= - r , - W
,/
(2)
θ(αρ
u
e
,,)
/
θ
t
+
v.
(αρ
"e"u
,,)
+
PV
•
(α
u
,,
)=Q
,
-Q
,
ν
+
Qw"
(3)
~
~
θ
[
(1
-a)
ρ
lelJ/
δ
t+V.[
(1-
α)ρ
lelu/J
+
PV'[
(1-
α
)U/J
=
-Q
,
-Q
tI
+Qwl
(4)
θ(αρ
"u
,,)
/
δ
t
+
V.
(αρ
"U"u
,,)
+
αV
P = - F
iv
- F
,,,
- F
wv
+
αρ
"g
(5)
。[(1
-α
〉
ρ
IU/J/
θ
t+V'
[(1-
α
〉
ρ
IUIU/J
+
(1
-α
)VP
-‘~
=F
o
-F
tI
-F
wl
+
(1
-α)ρ
Ig
(6)
等式右边第一项
r
i
,
Q
,及
F
,
为液到汽的质量、能量及动量交换率,第二项
W
,'
、
Q
,及
F
,
为控制体间的紊梳质量、能量及动量交换率,第三项
Qw
及
F
.,
为壁面传热
率及摩擦力。
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