关键词：
可重构模型
流体网络及设备
不同阶段仿真
阻力计算模型
相变流动
摘要：
在核动力装置的设计、制造与运行阶段,运行特性的探索始终是重要的研究内容之一。除实验手段外,仿真由于安全性高、经济性好且可重复性强,成为了研究运行特性的重要手段。在当前进行的研究中,采用同样的模型针对核动力装置不同生命阶段进行仿真,导致了在参数缺失时建模困难、在参数详尽时精度不足;当前流体在管网内流动时的阻力给定或计算的模拟方法,或动态计算失准、或不能匹配实际参数;针对管道及容器流动采用同样的模型,导致了均相模型不能模拟分离现象、分相模型计算量大、易发散;设备的通用模型不能提现设备的工作过程与结构形式、精细化模型与流网的耦合性差;模型无法快速便捷地修改连接关系,可重构性差,难以满足设计仿真、评估仿真和培训仿真中快速可重构的应用需求。为了解决上述问题,本文针对核动力装置不同阶段的仿真需要,以工艺系统为建模对象,提出了面向多目标应用的、具有可重构特征的核动力装置流体网络及设备仿真模型。针对核动力装置的设计阶段,面向设计仿真应用,模型具备预测未知工况点的能力;针对论证阶段,面向评估仿真的应用,模型具备有高度的精细化性;针对运行阶段,面向培训仿真应用,模型能够复现给定的设计运行工况。在单相流体网络模型中,本文的沿程阻力系数采用计算、局部阻力采用给定的方式进行模拟,能够满足长距离、低流速下单相流体在管网内部流动时的阻力计算精确度要求,并能较好地符合实际运行或设计参数;采用质量、动量、能量守恒的三方程模型对流动过程进行模拟。以动量方程中的瞬态项为区分多目标应用模型的标志,设计仿真模型与评估仿真模型考虑瞬态项,培训仿真模型不考虑瞬态项。同时评估仿真模型考虑压力波传递模型,满足精细化评估的需求。在两相流动中,为了兼顾求解的稳定性、快速性与模拟的精确性,本文基于质量、动量和能量守恒定律建模,考虑蒸汽、水、空气三种工质,针对不同的模拟对象,建立两相流体网络管道间流动的五方程模型、两相流体网络分离体间流动的六方程模型两种计算子模型。针对流体网络内的设备,开发了基于流网元件的精细化设备模型,既满足了流网——设备间的耦合性要求,也满足了精细化模拟的需要。以设备节点划分的多寡来面向不同阶段的应用,满足多目标应用的使用目的。本文提出的流体网络模型及设备模型,求解时均引入连接关系符号矩阵,以二维的杜立特尔求解方法为基础,开发了动态求解压力与焓值矩阵的动态算法。本文提出的求解方法可在模型运行过程中,随时更改节点、流线与边界的连接关系,快速、稳定地重构为其他连接方案下的模型,而不需要从有向图绘制开始重新进行建模调试工作,大大减轻了设计、评估及培训阶段建模人员的工作量。通过对相关实际系统及设备的模拟,验证了本文所提出的流体网络及设备模型的准确性和可重构性。在单相流体网络中,面向设计仿真、评估仿真及培训仿真应用的模型,能够体现出其各自的计算差别;并通过与JTopmeret软件的计算结果相对比,能够验证模型的准确性、稳定性及应用范围。在两相流体网络中,能够准确模拟系统内能量变化而引起的相变,在管道、容器内部的模拟结果均能够体现设备的特性,且相较于JTopmeret软件,部分物性参数的计算结果更加准确。设备模型能够得到设备内部的精细化参数分布,具有较高的精细化程度,且直接应用流体网络模型的元件进行建模,与流体网络模型间具有强耦合性。通过修改连接关系符号矩阵内参数的符号,对流体网络模型进行了增加管道、修改破口位置的测试,验证了模型的快速可重构性,并分析了重构前后模型的计算结果,模型重构前后具有相同的仿真能力与精度。利用本文所提出的模型,以CEFR的三回路系统为对象进行了建模并联调。采用边界耦合的方式将所建立的模型连接在一起,植入到哈尔滨工程大学的CEFR全范围模拟器中,以从满功率降低到三回路最低运行状态、从三回路最低运行状态升功率至满功率的动态过程测试模型,测试流动工质涵盖过冷水、饱和水、汽水两相工质、饱和蒸汽、过热蒸汽等;测试压力从14MPa的主管道到0.02MPa的冷凝器;测试工况包含单相流动与相变流动。测试结果表明,本文所提出的模型计算结果符合理论分析,且在模型切换时稳定性好不发散,对剧烈工况具有良好的模拟能力,计算结果能够体现模型的优点。通过本文的工作,得到了本文所提出的单相、两相流体网络模型及设备模型计算准确度高、计算稳定性好,能够适用多目标应用需求,且具备良好的快速可重构特征的结论。基于二维矩阵的求解方法使模型具备了快速可重构能力,在设计阶段频繁更改的设计方案、论证阶段对多个相近系统的评估对比、培训阶段任意位置增加破口的情况下,大大减轻了建模人员的重复建模、调试的工作量;多次重构后的模型与原模型具有相同的仿真能力与仿真精度,理论上可无限次重构。
