【摘要】：在核反應(yīng)堆的真實(shí)物理世界中,會天然存在一定的不確定性,包括幾何不確定性、初始條件和邊界條件不確定性、物理混沌狀態(tài)不確定性等,這類不確定性會使根據(jù)確定論假設(shè)模擬結(jié)果做出的決策存在失誤風(fēng)險(xiǎn)。目前在核工程領(lǐng)域,采用“最佳估算程序+不確定性分析”方法取代傳統(tǒng)的保守安全分析手段被世界各國、各組織所推崇,并隨之產(chǎn)生了一系列針對系統(tǒng)程序的不確定性分析方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和核安全分析對高保真度物理模型和有效精確計(jì)算程序的要求,諸如CFD數(shù)值模擬的高精度仿真技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于核電廠設(shè)計(jì)和安全分析領(lǐng)域中,而仿真精度提高的代價(jià)便是大量計(jì)算資源的消耗,這使得很多已經(jīng)在系統(tǒng)程序應(yīng)用上取得成功的以多次程序運(yùn)行結(jié)果為量化基礎(chǔ)的不確定性分析方法變得難以實(shí)施,因此,開展基于高精度仿真程序的堆芯熱工水力計(jì)算不確定性分析方法的應(yīng)用研究具有重要意義。為了減少不確定性分析所需計(jì)算量和充分利用成熟的商用CFD計(jì)算軟件,本文以非嵌入式多項(xiàng)式混沌理論為基礎(chǔ),給出了適合應(yīng)用于堆芯CFD計(jì)算的輸入不確定性傳播分析方案,并以核反應(yīng)堆堆芯5×5光棒區(qū)冷卻劑通道CFD模型為研究對象,開展了由邊界條件引起的流場輸出參數(shù)不確定度量化和敏感性分析,同時對相同的模型和輸入?yún)?shù)使用傳統(tǒng)的蒙特卡洛法進(jìn)行了不確定性分析作為量化結(jié)果對比,驗(yàn)證了多項(xiàng)式混沌法具有足夠的計(jì)算精度和極佳的計(jì)算經(jīng)濟(jì)性,可以應(yīng)用于需要耗費(fèi)龐大計(jì)算時間的堆芯熱工水力計(jì)算中。之后在模型中引入燃料棒與冷卻劑的換熱模型,開展了考慮傳熱過程的不同工況下的光棒區(qū)冷卻劑通道不確定性分析研究。除了光棒區(qū)之外,堆芯內(nèi)還存在著一些復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)區(qū)域,而這些特殊的幾何結(jié)構(gòu)有可能會對流場的輸入不確定性造成影響,基于這種考慮,本文以含定位格架、攪混翼的堆芯復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)冷卻劑通道CFD模型為研究對象,開展了基于多項(xiàng)式混沌法的不確定性分析研究,得到了復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)的輸出參數(shù)不確定性特點(diǎn),同時給出了敏感性分析結(jié)果。最后,本文對比了使用高斯分布和均勻分布作為輸入?yún)?shù)分布類型的不確定性分析結(jié)果,探討了不同輸入?yún)?shù)概率分布類型對多項(xiàng)式混沌法不確定性分析結(jié)果的影響。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM623
【圖文】：

圖 1.1 輸入?yún)?shù)不確定性傳播方法(1) 蒙特卡洛法(Monte-Carlo，MC)。蒙特卡洛法是最常用的確定參數(shù)樣本的方法，它的思想是在輸入?yún)?shù)的分布范圍內(nèi)對參數(shù)進(jìn)行簡單隨機(jī)抽樣，通過對大樣本的重復(fù)計(jì)算，進(jìn)而得到輸出參數(shù)統(tǒng)計(jì)特性。該方法簡便易行，只要抽樣規(guī)模足夠大，則最終計(jì)算出來的估計(jì)值就會趨于真實(shí)值，但該方法收斂速度很慢，需要大量的樣本才能取得可信的結(jié)果。法國的 CEA 將這一方法應(yīng)用于一個簡單的“地板加熱”算例[16]，計(jì)算采用由 CEA 開發(fā)的 CFD 計(jì)算程序 Trio_U，考慮存在對流和浮力效應(yīng)的 2 維穩(wěn)態(tài)流動模型，在一開始利用蒙特卡洛法抽取了 100 組輸入?yún)?shù)樣本，但是由于程序代碼漏洞，在實(shí)際運(yùn)行程序時，出現(xiàn)了很多次程序運(yùn)行失敗的情況，為了得到完整的統(tǒng)計(jì)信息，還需要重新抽樣補(bǔ)足樣本，最終運(yùn)行了三百多次程序才完成不確定度量化分析。從此例可以看出，抽樣方法需要的計(jì)算量非常大，這一缺點(diǎn)在需要占用大量 CPU 的 CFD 程序上顯得尤為突出。為了減少所需計(jì)算次數(shù)，數(shù)學(xué)領(lǐng)域有一些更為高效的抽樣方法可使樣本的標(biāo)準(zhǔn)差較[17][18]

圖 1.2 UMAE 方法分析流程上文對 CFD 不確定性分析領(lǐng)域的現(xiàn)有工作進(jìn)行了回顧，一些學(xué)者正努力將已在系統(tǒng)程序應(yīng)用的輸入?yún)?shù)不確定性傳播方法和精度外推方法移植到 CFD 程序上，但不同于可以解決很多兩相問題的系統(tǒng)程序模型，現(xiàn)在應(yīng)用于堆芯熱工水力安全分析的 CFD模型還是以單相為主，程序自身特性和物理過程建模的差異導(dǎo)致了相同的分析框架應(yīng)用到不同類型的程序上會出現(xiàn)很多需要改進(jìn)之處，從目前的幾個應(yīng)用研究中可以得到一些初步反饋：(1) CFD 程序不確定性來源多種多樣，包括：初始條件和邊界條件、材料物性、物理模型相關(guān)參數(shù)、無模型物理過程、數(shù)值解的誤差、幾何簡化等；(2) 基于蒙特卡洛抽樣的不確定性傳播方法依然可以應(yīng)用于 CFD 領(lǐng)域，只是這種方法帶來的 CPU 代價(jià)過高；(3) 確定性抽樣法可以成為計(jì)算代價(jià)更低的一種選擇；(4) 在輸入?yún)?shù)個數(shù)較少時，多項(xiàng)式混沌法所需的計(jì)算次數(shù)也較少，當(dāng)使用一階多

圖 3.2 5×5 光棒區(qū)冷卻劑通道計(jì)算域幾何結(jié)構(gòu)與參數(shù)示意圖.1.2 網(wǎng)格劃分方案網(wǎng)格劃分在 CFD 分析中是人員參與度最高、所需工作時間最長的一個研究環(huán)節(jié)格質(zhì)量的高低會對計(jì)算速度、收斂性和結(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接影響，而在后續(xù)的不確分析中，很難對網(wǎng)格優(yōu)劣導(dǎo)致的不確定度進(jìn)行量化，因此必須在初始建模階段尋找理的網(wǎng)格劃分方案，既能滿足計(jì)算時間成本可接受的條件，又能使仿真模型的計(jì)算達(dá)到要求，因此網(wǎng)格劃分是 CFD 不確定性分析中的重要基礎(chǔ)性工作之一。如圖 3.2 所示，光棒區(qū)冷卻劑通道在沿軸向的不同高度上有著相同的橫截面幾何，這種幾何特征適合選用棱柱形的網(wǎng)格進(jìn)行建模計(jì)算，棱柱形網(wǎng)格不僅網(wǎng)格質(zhì)量較且還可以在很大程度上節(jié)省建模所需網(wǎng)格量，這對節(jié)約計(jì)算資源有著重要意義。棱網(wǎng)格又可以分為三棱柱網(wǎng)格(Tetrahedral Prism，TP)、四棱柱網(wǎng)格(Hexahedral Prism 多棱柱網(wǎng)格(Polyhedral Prism，PP)，各類網(wǎng)格形狀如圖 3.3 所示，圖中 HP2[59]和 HP兩種應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)化 HP 網(wǎng)格。哈爾濱工程大學(xué)的陳廣亮[61]等人針對各類棱

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本文編號：2801723