用于压水堆核电厂多尺度瞬态分析的三维三流场两相流模型及高保真高效算法研究

The one dimensional two-fluid six-equation model and the semi-implicit algorithm based on first-order difference scheme are adopted in most of the existing best estimate thermal-hydraulic codes. The one-dimensional two-fluid model can not accurately simulate the liquid droplet entrainment and deposition behaviors, nor can it simulate multi-scale thermal-hydraulic behaviors. The time step of the semi-implicit algorithm is restricted to the Courant stability limitation, and the numerical diffusion and the large truncation error of the first-order difference scheme lead to low accuracy of the results. Currently, the multi-scale transient thermal-hydraulic analysis of the nuclear power plant with high fidelity has become the research focus worldwide. More precise two phase flow model and more advanced numerical algorithm with high fidelity and high efficiency are required. Therefore, in this proposed research program, the study on the advanced two-phase flow model as well as its numerical algorithm for PWR will be carried out. The main research contents include the development of a three-dimensional three-field two-phase flow model based on the porous media theory，the establishment of a fully-implicit algorithm with high-order difference scheme, and an analysis code development base on the model and algorithm. The validation of the developed code will be carried out through both code-to-experiment and code-to-code comparisons. The proposed research program will lay the foundation for the development of China's proprietory high fidelity system analysis code.

已有的最佳估算热工水力程序大多采用一维两流体六方程模型和基于一阶精度差分格式的半隐算法。一维两流体六方程模型不能准确模拟液滴的夹带和沉降行为，且也不能模拟具有多尺度耦合特性的热工水力行为。半隐算法的时间步长受限于Courant稳定性限值，而一阶差分格式会引入数值扩散和较大的截断误差，导致计算精度不高。目前，高保真多尺度的核电厂热工水力瞬态分析已成为国际上的研究热点，这需要更精细的两相流模型以及高保真高效的数值解法。本项目拟开展适用于压水堆核电厂热工水力行为分析的先进两相流模型及其算法研究：在模型方面，拟开发基于多孔介质理论的三维三流场两相流模型；在算法方面，拟开发基于高精度差分格式的高效隐式数值解法；基于模型和算法开发相应的分析程序，并通过与实验数据和著名系统分析程序模拟结果的对比，验证模型和算法的正确性和先进性。本研究将为我国研发自主化高保真的系统分析程序奠定基础。

目前主流系统分析程序采用的两流体六方程模型不能准确地描述存在液滴的工况，且当前主流系统分析程序采用的半隐数值算法不稳定，一阶差分格式存在数值扩散。因此本项目拟开展使用三流场两相流模型和基于高阶精度差分的全隐数值算法的研究，解决主流系统分析程序的不足，同时为我国自主开发高保真的系统程序奠定基础。.在数学模型方面，本项目建立了一套适用于核电厂系统的三流场两流体两相流模型，模拟了液滴的夹带沉降以及与汽相的相间换热与相间摩擦。在数值算法方面，本项目建立了基于高阶精度差分格式和JFNK方法的两流体两相流模型的高效全隐算法，并使用基于半隐算法的预处理加速JFNK迭代收敛，提高计算效率。基于三流场两相流数学模型和全隐数值解法，实现了两流体两相流模型的全隐数值算法、三流场两流体两相模型的半隐数值解法和全隐数值解法，并开发了一款适用于核电厂系统的高效高保真系统分析程序。.通过模拟蒸汽-水夹带实验、干涸后传热实验和圆管再淹没实验验证了三流场两相流模型的计算精度。通过模拟Ransom水龙头问题验证了全隐数值算法的精度和鲁棒性，通过模拟压力计问题验证了数值算法中对单相问题特殊处理的合理性。圆管过冷沸腾实验和干涸后传热实验的模拟，验证了全隐数值算法对单相流、两相流以及单相到两相过渡时的表现。通过模拟单相自然循环实验，说明了全隐数值算法在模拟慢瞬态问题时高效且稳定。最后模拟了Edwards喷放实验，结果显示全隐数值算法适用于快瞬态工况。.本项目中关于模型和算法方面的各项验证表明，程序模型计算准确，数值算法高效准确。当前开发的三流场两相流模型和全隐数值算法可以为我国高效高保真的反应堆系统分析程序的开发奠定基础。.