relap5介绍

第二章RELAP5介绍2.1RELAP5功能简介RELAP5是Idaho国家工程实验室（INEL）为核管会（NRC）开发的轻水堆瞬态分析程序，现已经成为核电厂分析器的基础。RELAP5几乎可以覆盖轻水堆核电厂所有热工水力瞬变和事故谱，其研究和分析领域可运用于轻水堆的设计基准事故以及瞬态和稳态的各种工况模拟。例如：LOCA(失水事故)、LOFT（失流事故）、给水丧失、意外失去厂外电源、以及汽轮机跳闸等等。图2.1.1RELAP5的功能图RELAP5的部件模型包括管道、阀、泵、安注箱、汽轮机、环路、应急堆芯冷却器、蓄压箱、分支和控制系统部件等（见图2.1.2）。RELAP5还对截面突变、交叉流、壅塞流（chokeflow）、混合水位跟踪、不凝气体迁移等现象建立了特殊分析模型（见图2.1.3）[16]。组件模型分支（Branch）分离器（Separator）喷射器（JetMixer）泵（Pump）汽轮机（Turbine）阀（Valves）安注箱（Accumulator）应急堆芯冷却器（ECCMixer）环路（Annulus）RELAP5功能破口（LOCAs）失流（LOFT）TransientScenariosATWS给水丧失失去厂外电源全厂断电汽轮机跳闸……图2.1.2RELAP5的组件模型图图2.1.3RELAP5的特殊过程模型图RELAP5程序里还包括了一些简单的模型：热力平衡态模型、均相流模型以及无摩擦流动模型等。这些模型可供使用者单独选用或组合选用[7]。RELAP5以两相系统的非均相和不平衡态模型为基础，采用快速半隐式数值方法进行求解[7]。RELAP5的发展情况：自1967年RELAP5程序开始研制，经过20多年，出现了今天的RELAP5/MOD3版本。这个软件集中了人们在两相流理论研究、数值求解方法、计算机编程技巧和各种规模实验等方面取得的研究成果[7]。RELAP5已经由许多实例和各个国家相关的实验计划的实验数据进行了验证和比较，但目前它依旧在扩大和发展之中，以便能在新的先进压水堆中得到更好的应用。接近1995年末时,为了维持一个单一版本程序源的显示效率，美国核管会（NRC）及美国能源部门（DOE）都必须要额外的努力去克服一些相冲突的要求。这个单一版本程序源便被划分成两种版本,一个是NRC版,另一个是DOE版。DOE版本保持了原来程序所有的功能,再加上划分之后所提供的功能。目前见到的最新版本有RELAP5/MOD3.4和RELAP5/MOD4.0。2.1.2场方程特殊过程模型壅塞流模型水平组件分层夹带模型截面突变交叉流WaterPackingMitigationScheme用户自定义逆流限制模型混合水位跟踪模型场方程基本微分方程连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、蒸汽产生方程、耗散项方程不凝气体方程流场中硼浓度计算方程微分方程简化处理分层流快速半隐式数值处理方法体平均速度计算水力－热构件耦合方程硼输运方程数值处理图2.1.4RELAP5中的场方程RELAP5程序要求求解八个一次因变量的场方程。这8个一次因变量是：液相比内能Uf，压力P，蒸汽体积份额(空泡份额)αg，汽相比内能Ug，液相速度Vf，汽相速度Vg，硼密度ρb和不凝气体质量含量Xn。场方程中还有二次因变量，它们分别为相温度Tg和Tf，相密度ρg和ρf，每一种不凝气体质量份额和饱和温度Ts[7]。RELAP5程序中的基本场方程包括两相动量守恒方程、两相质量连续性方程和两相能量守恒方程。这些方程以微分形式出现，自变量是时间和一维空间，因变量是按时间和体积求平均的量（见图2.1.4）[7]。质量守恒方程：汽相1ggggggVAtAx（2-1）液相1ffffffVAtAx（2-2）一般不考虑质量源或热阱，因此有Гg=-Гf动量方程汽相212gggggggggxggggfgfggiggggfgfmfgVVPAAABAAFWGVtxxVVVVAVVAFIGVVCAVVtxx（2-3）液相212fffffffffxffffgfggfiffffgfgmgfVVPAAABAAFWFVtxxVVVVAVVAFIFVVCAVVtxx（2-4）RELAP5程序中的动量方程做了一些简化：假定各相的压力是相等的，假定界面的压力等于相压力（层流除外），不考虑应变项，忽略各相的粘性应力，忽略相界面上的动量储存，相界面上的力项包括压力和粘性应力，用可变面积动量流关系式来建立壁面力模型[7]。上面动量方程右边的各项为：压力梯度、体积力、壁面的摩擦力、界面上的质量转移引起的动量转移、界面的摩擦力、虚拟质量力。FWF和FWG项是壁面摩擦阻力项，这里把它们考虑成与相速度成正比的线性项，它们是单位体积内的摩擦面积、壁面摩擦系数和相速度大小的乘积。FWF和FIG项是界面摩擦阻力项，这里把它们考虑成与相对速度成正比的线性项，它们是单位体积内的摩擦面积、界面的摩擦系数以及相对速度的乘积[7]。上式利用RELAP5/MOD1中采用的形式对虚拟质量项进行处理。而在RELAP5/MOD3中，这项做了简化，特别是略去了对空间变化项。能量守恒方程汽相*1ggggggggggwgigiggwggPUUVAPVAtAxtAxQQhhDISS（2-5）液相*1ffffffffffwfifigfwffPUUVAPVAtAxtAxQQhhDISS（2-6）上面能量方程右边的各项为：膨胀或压缩功，内能变化率，Qwf，Qwg是每单位体积的壁面热交换量，Qif，Qig是界面上的热交换量，Гighf*，Гighg*是界面的质量迁移引起的能量迁移，wfh，wgh为壁面（热边界层）质量迁移引起的能量迁移，DISSg、DISSf是相能量消耗项[7]。2ggggDISSFWGV，2ffffDISSFWGV2.1.3状态方程在上面三大守恒方程中采用五个独立变量，它们是压力P、蒸汽体积份额ag、汽相比内能Ug、液相比内能Uf和不凝气体质量含量xn。其余的热力学变量(如温度、密度、局部压力、含汽量等)则可用这几个独立变量的函数来表示。为使方程线性化，除这些变量外,还需要一些状态变量，表现为状态关系式，用以确定状态参数（见图2.1.5）。例如sITTPsIsTTPssngPPPU状态关系式状态方程单组分，两相混合物计算方法多组分，两相混合物计算方法图2.1.5状态关系式图2.1.4传热模型的分析在RELAP5/MOD1版本中，传热模型共分为32种。实际上，一个关系式可以用于不同的传热模型，另外同一传热机理可以提供不同的关系式供用户用，这些都算作不同的传热模型。在RELAP5/MOD1.5版本中则将很繁琐的32种模型合并成为了11种，此外增加了4种再淹没传热模型。在RELAP5/MOD2版本中则取消了4种再淹没传热模型，增加了12种不凝气体传热模型，传热模型共达到了23种[7]。2.2RELAP5的简介一个完整的RELAP5程序结构包括四部分基本建模单元：热工水力部件、热构件、逻辑变量（Trips）和控制变量（见图2.2.1）。最简单的RELAP5程序包括一个题目卡，若干选择性注释卡，数据卡和一个终止卡。复杂的RELAP5程序还包括继续卡。对于参数研究和改变方案的情况，新题目卡、插入卡、修改卡、消除数据卡和注释卡应放在终止卡的前面，这样很容易在维持基本卡不变的情况下作修改。图2.2.1RELAP5的基本建模单元图基本建模单元热工水力组件控制变量热构件Trips2.2.1水力学模型通过确定流型和选择合适的流动关系式，获得界面曳力、剪切力、虚拟质量系数、壁面摩擦力，通过定义合适的传热机理确定壁面传热系数，虚拟质量则通过空泡份额的计算公式进行推算。RELAP5/MOD2中所有的组成关系式在使用时均选择控制体中心为计算点，接管相关参数也是以接管周围的控制体中心参数进行估算的。组成模型几乎涵盖了两相流所有经试验验证的模型（见图2.2.2、表2.2.1）。图2.2.2水力学模型的基本组成模型图表2.2.1水力学模型部件表部件标识图示主要用途基本组成模型垂直管流型图水平管流型图混合流型图(泵)ECC混合流型图交汇处流型图界面摩擦力漂移流界面曳力系数微分动量方程弥散流弹状流环状流垂直分层流水平分层流反转流虚拟质量系数壁面摩擦力壁面传热系数模型壁面传热系数关系式界面质量传递直接加热单一控制体(Single-volume)SNGLVOL表示不需要管或分支的流管管子或环路(Pipeorannulus)PIPE模拟管道(1~100),内含接管ANNULUS模拟环状流道分支(Branch)BRANCH表示管的接合处，最多接十个管SEPARATR特殊的分支，模拟SG的汽水分离器JETMIXER特殊的分支，模拟喷射泵TURBINE特殊的分支，模拟汽轮机ECCMIX特殊的分支单一接管(Single-junction)SNGLJUN连接两个部件表2.2.1（续表）部件标识图示主要用途多接管(Multiple-junction)MTPLJUN连接部件，允许有超过100的部件结合时间相关控制体(Time-dependentvolume)TMDPVOL给定边界条件时间相关接管(Time-dependentjunction)TMDPJUN连接两个控制体同时给定其边界条件阀(Valve)VALVE模拟触发阀、止回阀、惯性阀、马达阀、释放阀和伺服阀以及它们的动作，阀是一种特殊的接管泵(Pump)PUNP模拟泵和它的动作安注箱(Accumulator)ACCUM模拟压水堆的安注箱，包括容器和波动管2.2.2热构件模型热构件模型用于模拟计算固体材料与水力学控制体之间的传热量，也就是用于模拟核燃料、电加热板、蒸汽发生器U形管、压力容器壁、堆内构件等，它可以是矩形、柱形或球形等；在建模时，热构件排列方向与流体流动方向一致，每个热构件有左右两个边界，热构件的每一个边界最多能连接一个水力学控制体，同一个水力学控制体可以连接多个热构件[43]。具体热构件模型见图2.2.3。热传导数值方法热构件模型网点和热物性分布以及微分近似边界上微分方程的近似确定具体边界条件求解联立方程2-D热传导再淹没模型最佳划分网孔方法气隙传热模型“面－面”辐射模型“金属－水”反应模型包层变形模型计算热流量图2.2.3热构件模型图2.2.3TRIPSYSTEMTrips为各种系统部件的动作提供触发信号，例如使阀门在某一时刻打开，使泵在某一时刻断电，设置某些故障等。一般地，Trip的值为True和False两种，并且在程序运行的过程中，Trip的值都会实时地由专门测试程序来重新检测更正结果。Trip中使用的逻辑符号主要有≤、、≥、、＝、≠[43]。RELAP5程序中的Trips包括变量Trip和逻辑Trip两种基本类型。变量Trip通过一个计算参数与另一个已知参数(或常数)的比较来确定它的值。逻辑Trip则是由变量Trip或逻辑Trip结合而生成的。使用变量Trip和逻辑Trip可以确定系统复杂的逻辑关系[43]。2.2.4控制系统利用控制系统所列变量（见表2.2.2）可以求解代数方程和一般的微分方程,可以通过执行数学运算和逻辑运算来处理各个部件之间的关系。控制变量的基本功能如下：(1)模拟各个部件的控制系统。RELAP5程序中的控制变量模型可以模拟现实系统中不存在的虚拟部件。如可以采用超前滞后部件、滞后部件、微分部件和比例积分部件来模拟一个控制器[43]。(2)模拟“集中－节点”系统。例如：