(19)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 202210611896.1 (22)申请日 2022.05.31 (71)申请人 中山大学 地址 510275 广东省广州市海珠区新港西 路135号 (72)发明人 姜乃斌　闵光云　吴文斌　李捷　 马宇　王亚辉　 (74)专利代理 机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 专利代理师 郑堪泳 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种大型压水堆堆芯结构流致振动 的数字 反应堆仿真 分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种大型压水堆堆芯结构流 致振动的数字反应堆仿真分析方法， 所述的方法 包括步骤如下： S1： 分别以反应堆压力容器下封 头、 堆芯及燃料组件内的流场为对象， 进行数据 驱动的堆内流场流动特征和流体力分析仿真； S2： 根据步骤S1的分析仿真输出的结果， 建立针 对元件级的燃料棒、 组件级的燃料组件和全堆芯 燃料组件在流体激励作用下有 限元离散方程的 结构动力学模 型， 分析堆芯结构多非线性因素多 时空尺度耦合的控制方程求解策略； S3： 根据控 制方程求解堆芯结构的力学行为， 并对求解的输 入‑输出样本的数据进行敏感性 分析和不确定性 量化， 完成对堆芯结构多时空尺度流致振动行为 规律分析。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 114997081 A 2022.09.02 CN 114997081 A 1.一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法， 其特征在于： 所述 的方法包括 步骤如下： S1： 分别以反应堆压力容器下封头、 堆芯及燃料组件内的流场 为对象， 进行数据驱动的 堆内流场流动特 征和流体力分析仿真； S2： 根据步骤S1的分析仿真输出的结果， 建立针对元件级的燃料棒、 组件级的燃料组件 和全堆芯燃料组件在流体激励作用下有限元离散方程的结构动力学模型， 分析堆芯结构多 非线性因素多时空尺度耦合的控制方程 求解策略； S3： 根据控制方程求解堆芯结构的力学行为， 并对求解的输入 ‑输出样本的数据进行敏 感性分析和不确定性 量化， 完成对堆芯结构多时空尺度流 致振动行为 规律分析。 2.根据权利要求1所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法， 其特征在于： 步骤S1， 具体地， 分别以反应堆压力容器下封头和堆芯及燃料 组件内的流场为 对象， 采用CFD 仿真结合体视粒子图像测速 法实验获取不同参数下的流场数据， 建立数据驱 动分析数据池； 基于数据驱动分析 数据池建立各种降阶模型， 具体： 采用特征分解方法提取不同设计参数下的流动主模态， 并采用系统辨识方法建立堆内 结构设计参数和流动特征、 流量分配、 流体激励之间相互映射的压力容器下封头流场静态 降阶模型、 燃料组件通道流场静态降阶模型、 燃料组件子通道流场动态降阶模型。 3.根据权利要求2所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法， 其特征在于： 建立压力容器下封头流场静态降阶模型， 具体如下： 其计算域中包括入水管、 下降腔和堆芯； 其中， 入水 管和下降腔为上游流体域， 堆芯为下游流体域； 考虑下封头流场下游的影响， 采用堆芯多孔介质建模， 根据CFD仿真结果， 选取流量最 大的工况与已有的工程实验结果数据进行对比， 反复迭代计算， 以获取流场计算数据； 然后， 基于系统辨识方法构建堆内结构设计参数和流速指标之间的压力容器下封头流 场静态降阶模型， 实现输出任意给定设计参数 下的堆芯入口流速分布特 征。 4.根据权利要求3所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法， 其特征在于： 建立燃料组件通道流场静态降阶模型的样本库来源于CFD仿真计算和可视化 实验结果； 所述的燃料组件通道流场静态降阶模型的输入包括燃料组件通道流体边界上的流速 分布特征和流道内部的结构特 征； 所述的燃料组件通道流场静态降阶模型的输出为组件通道内部各子通道的流速分布； 其中， 作为输入的燃料组件通道流体边界上的流速分布特征通过压力容器下封头流场 静态降阶模型与堆芯多孔介质模型串联计算得到 。 5.根据权利要求4所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法， 其特征在于： 建立燃料组件子通道流场动态降阶模型的样本数据来源于瞬态CFD仿真计算 结果， 融合SPIV实验的子通道级流场观测结果， 并结合已有的作用在燃料棒上流体力的实 验数据和经验数据； 所述的燃料组件子通道流场动态降阶模型的输出为作用 在子通道边界上的湍流力和 流弹力分布特 征； 所述的燃料组件子通道流场动态降阶模型的输入包括子通道流体边界上的流速分布权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114997081 A 2特征和子通道内的结构特 征； 其中， 作为输入的子通道流体边界上的流速分布特征来源于燃料组件通道流场静态降 阶模型的输出； 所述的结构特 征包括格架数量、 位置， 以及搅浑翼片的大小、 形状和倾角。 6.根据权利要求4所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法， 其特征在于： 步骤S2， 具体地， 分别针对元件级的燃料棒、 组件级的燃料组件和全堆芯燃料 组件三个结构的结构动力学模型， 根据结构的质量和刚度分布规律， 以及结构之间的非线 性接触关系， 分别对应 建立元件级流固耦合分析模 型、 组件级流固耦合分析模型、 堆芯级流 固耦合分析模型； 采用与实验实测的固有频率和模态进行对比的方式验证对应的结构动力学简化模型； 将燃料组件子通道流场动态降阶模型输出的流体力施加在燃料棒和燃料组件对应的 结构动力学模型上， 采用模态分析方法计算流固耦合效应的前三 阶固有频率和模态， 并与 工程试验数据做对比， 确定的流固耦合效应的正确性； 考虑支承应力松弛、 微动磨损导致的支承非线性与结构振动的相互影响， 同时考虑振 动过程中由于流道扰动引起的非线性流 弹力， 建立堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合 分析方法。 7.根据权利要求6所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法， 其特征在于： 所述的堆芯结构多非线性因素多时空尺度耦合分析 方法， 具体如下： 燃料棒振动过程中， 与格架钢凸接触位置会发生 微动磨损； 根据磨损公式： 式中， 为体积磨损率， K为磨损系数， 为磨损功 率， 是接触力Fn与滑动距离S的乘积的 时间导数： 滑动距离S根据振动位移响应实时计算， 接触力Fn又受到堆内辐照产生的应力松弛影 响， 随时间变化； 根据辐照应力松弛规 律， 采用松弛后夹持力对微动磨损深度进行计算； 当燃料棒振动方向和支承相切， 支承无变形导致的接触力变化， 则不考虑接触力随时 间的变化 率， 即： 因此评估实际的磨损深度， 需要考虑两个振动方向的耦合， 并采用式( 2)计算磨损功 率， 再由式(1)计算磨损体积， 并根据几何形貌计算磨损深度； 此外， 支承应力松弛、 微动磨损和燃料棒振动是相互耦合的， 拟通过记录燃料组件在堆 内的服役时间和累积磨损历程， 根据松弛和磨损对振动影响程度， 在间隔一定时间后， 更新 振动计算的系数矩阵和边界条件。 8.根据权利要求7所述的大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法， 其特征在于： 对堆芯结构多时空尺度流 致振动行为 规律分析， 具体如下：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114997081 A 3