(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 202210939091.X (22)申请日 2022.08.05 (71)申请人 中国核动力研究设计院 地址 610000 四川省成 都市双流区长顺大 道一段328号 (72)发明人 齐飞鹏　刘振海　周毅　马超　 李垣明　李庆　曾未　宫兆虎　 王杰　强胜龙　尹强　刘勇　 赵文博　刘卢果　王啸宇　路怀玉　 魏洪杨　李权　陈浩　赵波　 (74)专利代理 机构 成都行之专利代理事务所 (普通合伙) 51220 专利代理师 王鹏程 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01)G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种燃料组件级辐照热流固紧密耦合计算 装置及计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种燃料组件级辐照热流固 紧密耦合计算装置及计算方法， 装置包括中子物 理模块、 热工水力模块和燃料分析模块； 方法包 括通过内层迭代模块迭代计算燃料 ‑热工耦合数 据； 收敛后通过外层迭代模块迭代计算燃料 ‑物 理‑热工耦合数据； 本发明可实现燃料组件的燃 料分析模块与反应堆的中子物理模块及热工水 力模块的紧密耦合， 从而集合各专业模块的优 势， 提升燃料组件综合性能预测精度； 本发明将 燃料组件性能分析程序与热工水力分析程序间 的迭代求解作为内层循环， 收敛后再与计算资源 消耗较大的中子物理分析序进行耦合， 减少收敛 速率较低的重复计算， 增 加稳定性与高效性。 权利要求书3页 说明书9页 附图2页 CN 115270487 A 2022.11.01 CN 115270487 A 1.一种燃料组件级辐照热流固 紧密耦合计算装置， 其特 征在于， 包括： 中子物理模块， 其内设有中子物理分析程序； 热工水力模块， 其内设有热工水力分析程序； 燃料分析模块， 其内设有燃料组件性能分析程序； 所述中子物理模块、 所述热工水力模块和所述燃料分析模块 通信连接； 所述燃料分析模块和所述热工水力模块构 成内层迭代模块， 所述燃料分析模块向所述 热工水力模块输出 的参数包括燃料元件表面热流密度、 流道变形数据； 所述热工水力模块 向所述燃料分析模块输出的参数包括冷却剂温度、 冷却剂换 热系数； 所述中子物理模块和所述内层迭代模块构 成外层迭代模块， 所述中子物理模块向所述 内层迭代模块输出的参数包括燃料元件的功 率和燃耗， 所述内层迭代模块向所述中子物理 模块输出的参数包括整合温度场和冷却剂密度。 2.根据权利要求1所述的一种燃料组件级辐照热流固 紧密耦合计算装置， 其特 征在于， 所述中子物理分析程序为 蒙卡运输程序、 MOC物理分析程序； 所述热工水力分析程序为子通道程序、 CFD程序； 所述燃料组件性能分析程序为FE M程序； 所述中子物理模块 通过物理计算网格执 行； 所述热工水力模块 通过热工计算网格执 行； 所述燃料分析模块 通过燃料计算网格执 行。 3.一种燃料组件级辐照热流固紧密耦合计算方法， 其特征在于， 基于如权利要求1或2 所述的一种燃料组件级辐照热流固 紧密耦合计算装置， 所述方法包括： 通过内层迭代模块迭代计算热力水工模块和燃料分析模块的第一耦合数据； 判断第一耦合数据是否收敛， 若否， 则继续迭代； 若是， 则 通过外层迭代模块迭代计算内层迭代模块和中子物理模块的第二耦合数据； 判断第二耦合数据是否收敛， 若否， 则继续迭代； 若是， 则 判断是否达到时间步终点， 若否， 则进行新时间步初始化后重新迭代计算第一耦合数 据和第二耦合数据； 若是， 则输出耦合模型。 4.根据权利要求3所述的一种燃料组件级辐照热流固紧密耦合计算方法， 其特征在于， 所述第一耦合数据为燃料 ‑热工耦合数据， 获得 所述第一耦合数据的迭代方法包括： 进行新时间步初始化； 中子物理模块输出燃料 元件的功率和燃耗； 将燃料元件的功率和燃耗映射到燃料分析模块， 燃料分析模块读取燃料元件的功率和 燃耗、 冷却剂温度、 换热系数， 并执行燃料组件性能分析程序， 获得燃料元件表面热流密度 和冷却剂流道变形 数据； 将燃料元件表面热流密度和冷却剂流道变形数据映射到热工水力模块， 热工水力模块 读取燃料元件表面热流密度和冷却剂流道变形数据， 并执行热工水力 分析程序， 获得冷却 剂温度和换 热系数； 将冷却剂温度和换 热系数作为燃料 ‑热工耦合数据； 判断燃料 ‑热工耦合数据 是否收敛， 若否， 则将热工水力分析程序获得的冷却剂 温度和 换热系数映射至燃料分析模块， 燃料分析模块迭代执行燃料 组件性能分析程序； 若 是， 则完权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115270487 A 2成内层迭代， 输出固体域温度场、 流体域温度场、 冷却剂密度场。 5.根据权利要求4所述的一种燃料组件级辐照热流固紧密耦合计算方法， 其特征在于， 所述第二耦合数据为燃料 ‑物理‑热工耦合数据， 获得第二耦合数据的方法包括： 将固体域温度场和流体域温度场整合， 获得整合温度场； 将整合温度场和冷却剂密度场作为燃料 ‑物理‑热工耦合数据； 判断燃料 ‑物理‑热工耦合数据是否收敛， 若否， 则将整合温度场和冷却剂密度映射至 中子物理模块， 中子物理模块执行中子物理分析程序； 若是， 则判断是否达到时间步终点， 若否， 则进 行新时间步初始 化后重新迭代第一耦合数据和第二耦合数据； 若是， 则输出耦合 模型。 6.根据权利要求5所述的一种燃料组件级辐照热流固紧密耦合计算方法， 其特征在于， 所述固体域温度的定义域为芯块和包壳， 所述冷却剂温度、 所述冷却剂密度、 所述冷却剂换 热系数、 所述流道变形数据的定义域为流体区域， 所述功率、 所述燃耗的定义域为芯块， 所 述燃料元件表面热流密度的定义 域为包壳壁 面。 7.根据权利要求4 ‑6中任一项所述的一种燃料组件级辐照热流固紧密耦合计算方法， 其特征在于， 所述燃料组件 包括多个呈矩阵排列分布的燃料 元件， 并构成燃料 元件矩阵A； 按照燃料 元件矩阵A 布置冷却剂流道 矩阵B； 选取Aij的燃料元件的功率和燃耗， 及Bij的冷却剂温度和换热系数， 并并行执行燃料元 件性能分析程序， 获得第(i， j)个燃料 元件表面热流密度和冷却剂流道变形 数据； 待所有并行 执行的程序完成后， 将各个燃料 元件和冷却剂流道的计算结果输出； 其中， Aij为矩阵A的(i， j)位置上的燃料 元件， Bij为矩阵B的(i， j)位置上的冷却剂流道。 8.根据权利要求3所述的一种燃料组件级辐照热流固紧密耦合计算方法， 其特征在于， 包括： S1、 进行全局初始化； S2、 进行新时间步初始化； S3、 中子物理模块读取整合温度场和冷却剂密度； S4、 执行中子物理分析程序， 获得燃料 元件的功率和燃耗； S5、 将燃料元件的功率和燃耗映射到燃料分析模块， 燃料分析模块读取燃料元件的功 率和燃耗、 冷却剂温度、 换 热系数； S6、 执行燃料组件性能分析程序， 获得燃料 元件表面热流密度和冷却剂流道变形 数据； S7、 将燃料元件表面热流密度和冷却剂流道变形数据映射到热工水力模块， 热工水力 模块读取燃料 元件表面热流密度和冷却剂流道变形 数据； S8、 执行热工水力分析程序， 获得冷却剂温度和换 热系数； S9、 将冷却剂温度和换 热系数作为燃料 ‑热工耦合数据； S10、 判断燃料 ‑热工耦合数据是否收敛， 若否， 则将热工水力分析程序获得的冷却剂温 度和换热系数映射至燃料分析模块， 并跳转至步骤S4； 若是， 则输出固体域温度场、 流体域 温度场、 冷却剂密度场并执 行步骤S1 1； S11、 将固体域温度场和流体域温度场整合， 获得整合温度场； S12、 将整合温度场和冷却剂密度作为燃料 ‑物理‑热工耦合数据； S13、 判断燃料 ‑物理‑热工耦合数据是否收敛， 若否， 则将整合温度场和冷却剂密度映权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115270487 A 3