堆芯瞬态核热耦合数值稳定性研究

堆芯瞬态核热耦合数值稳定性研究赵波曹欣荣李权齐飞鹏黄永忠马强陈浩陈飞飞DOI:10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-5601摘要:本文基于格林函数节块法程序TNGFM与子通道程序COBRA-EN开发了三维瞬态核热耦合计算程序,利用压水堆弹棒算例对核热耦合数值稳定性进行了分析,并提出了改进Picard迭代方法。数值模拟结果表明,减小计算时间步长可提高耦合计算数值稳定性,但计算效率较低,在物理计算外迭代中引入近似反馈可有效提高耦合收敛性能并大大减少耦合计算迭代次数。关键词:瞬态核热耦合数值稳定性计算效率:TL351.1:A:1674-098X(2021)05(a)-0090-05ResearchonNumericalStabilityofTransientNeutronics/Thermal-HydraulicCouplinginReactorCoreZHAOBo1,2CAOXinrong2LIQuan1QIFeipeng1HUANGYongzhong1MAQiang1CHENHao1CHENFeifei1(1.ScienceandTechnologyonReactorSystemDesignTechnologyLaboratory,NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu,SichuanProvince,610213China;2.HarbinEngineeringUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince,150001China)Abstract:Athree-dimensionaltransientneutronics/thermal-hydraulicscouplingcalculationprogramisdevelopedbasedonGreensfunctionnodalmethodprogramTNGFMandsubchannelthermal-hydraulicanalysisprogramCOBRA-EN.Thenumericalstabilityofneutronics/thermal-hydraulicscouplingisanalyzedwithaPWRrodejectionexampleandanimprovedPicardmethodisproposed.Thenumericalsimulationresultsshowthatreducingthetimestepcanimprovethenumericalstabilityofcouplingcomputationwithalowefficiency.Introducingapproximatefeedbackintoexternaliterationofneutronicscaneffectivelyimprovethecouplingconvergenceperformanceandgreatlyreducethenumberofiterationsofcouplingcomputation.KeyWords:Transient;Neutronics/thermal-hydraulicscoupling;Numericalstability;Computationalefficiency隨着高性能计算机技术的迅速发展,物理-热工耦合计算趋向于高保真技术发展,采用三维物理-热工耦合分析能更精确模拟瞬态或事故过程,提高瞬态工况下物理及热工参数分布计算的准确性。近年来,国内外针对物理-热工耦合问题开展了大量研究,并开发了多套耦合程序,这些程序多采用算符分裂或Picard迭代等方法求解,容易出现数值不稳定和收敛速度较慢等问题。本文基于格林函数节块法程序TNGFM与子通道程序COBRA-EN开发了瞬态核热耦合程序,对瞬态核热耦合数值稳定性进行了分析,并提出了改进迭代算法改善瞬态核热耦合收敛性能。1耦合方法堆芯瞬态核热耦合需解决耦合实现方式、耦合时间步算法、耦合收敛算法等3个关键问题。1.1耦合实现方式耦合实现方式从数值求解角度可分为强耦合和弱耦合。强耦合是指将物理-热工方程联立求解,如近几年发展的Jacobian-freeNewton-Krylov(JFNK)[1]方法即可实现耦合变量的同步更新,但实现较为复杂。目前大多数核热耦合程序如COBAYA4/COBRA-TF[2]、RMC/CTF[3]仍以弱耦合为主,程序独立求解物理-热工方程,通过交换边界数据实现耦合,能充分利用现有程序,实现相对容易。1.2耦合时间步算法耦合时间步算法主要包括物理与热工程序各自计算时间步长、耦合参数传递时间点的选取及耦合程序时间步推进格式。物理与热工程序时间步长的选取通常取决于程序自身的计算精度,较为简便的方法为各程序选取相同的时间步长,并在每个时间步内进行耦合参数的传递。耦合程序时间步推进格式通常分为显式与隐式耦合[4],显式耦合是指在单个时间步内,物理与热工程序采用一次通过方式计算,不进行迭代,计算量较小但精度较低。隐式耦合则需要物理与热工程序在单个时间步内进行反复迭代直到满足相应收敛准则为止,计算量较大但能保证耦合边界条件一致且稳定性更好。1.3耦合收敛算法传统的核热耦合收敛算法包括OS方法[5]、固定点迭代法(Picard方法)[6],它们都是先由物理计算得到堆芯内功率分布,将数据传递给热工程序计算得到堆芯内温度、密度等热工参数,再由反馈计算模块更新物理计算所需截面后进行物理计算,如...

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