RELAP5/FLUENT耦合程序的開(kāi)發(fā)

何 帆，蔡翔舟，郭 威，何 龍，崔 蕾，趙 恒

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.中國(guó)科學(xué)院 先進(jìn)核能創(chuàng)新研究院，上海 201800)

RELAP5是美國(guó)愛(ài)德華國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室為美國(guó)核管會(huì)開(kāi)發(fā)的輕水堆冷卻系統(tǒng)事故工況的瞬態(tài)行為最佳估算程序[1-3]，已被廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆的瞬態(tài)事故分析和安全評(píng)審等方面，并被核工業(yè)接受成為安全分析工具。在RELAP5/MOD4.0版本中，添加了鉛鉍合金、熔鹽等多種計(jì)算流體，其可應(yīng)用于熔鹽堆等第4代核能系統(tǒng)的瞬態(tài)事故分析[4-5]。同時(shí)，隨著流體動(dòng)力學(xué)方法(如商業(yè)化程序FLUENT)和計(jì)算機(jī)性能的高速發(fā)展，有關(guān)反應(yīng)堆的三維數(shù)值模擬越來(lái)越多[6-8]，堆芯上下腔室、冷卻劑通道等局部構(gòu)件計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬已被報(bào)道。以FLUENT為代表的CFD程序?qū)?huì)成為開(kāi)發(fā)第4代核反應(yīng)堆的一個(gè)強(qiáng)大工具。為綜合利用系統(tǒng)代碼和CFD程序的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)際上有學(xué)者已開(kāi)始系統(tǒng)程序與CFD程序間的耦合研究，開(kāi)發(fā)了一些系統(tǒng)/CFD耦合程序，并進(jìn)行了初步驗(yàn)證，如Aumiller等[9]首先利用并行虛擬機(jī)技術(shù)(PVM)實(shí)現(xiàn)了RELAP5-3D和CFD代碼的耦合，從原理上證明了RELAP5-3D/CFD顯式耦合是可行的；Papukchiev等[10]將ATHLET程序和CFX軟件耦合，模擬了流體在管道流動(dòng)、傳熱等物理過(guò)程；Anderson等[11]針對(duì)超高溫氣冷堆冷卻劑流出堆芯進(jìn)入出口腔室的熱混合問(wèn)題，利用PVM耦合了RELAP5和CFD代碼，在出口腔室建立了三維流動(dòng)效應(yīng)模型。

本文討論顯式耦合RELAP5/MOD4.0和FLUENT方法，通過(guò)RELAP5/MOD4.0源代碼的二次開(kāi)發(fā)和FLUENT用戶(hù)自定義函數(shù)(UDF)功能，RELAP5和FLUENT會(huì)分別在每個(gè)時(shí)間步開(kāi)始時(shí)讀入耦合計(jì)算所需要的變量進(jìn)行計(jì)算，并在該時(shí)間步結(jié)束時(shí)輸出耦合計(jì)算所需要的變量，然后再進(jìn)行下一時(shí)間步的計(jì)算。本文為測(cè)試耦合程序的正確性，分別使用RELAP5/FLUENT耦合程序和獨(dú)立的RELAP5或FLUENT對(duì)水平圓管進(jìn)行模擬分析。最后，利用耦合程序?qū)? MW熔鹽堆進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況模擬和功率突變的瞬態(tài)分析。

1 耦合方法

程序間的數(shù)據(jù)信息交換是耦合程序的本質(zhì)[12]。在已有的一維系統(tǒng)程序和三維CFD程序耦合的研究成果中，主要是基于PVM來(lái)實(shí)現(xiàn)。在PVM中，額外編寫(xiě)接口控制程序，利用PVM內(nèi)部所提供的Send和Recv函數(shù)在每個(gè)時(shí)間步的計(jì)算中調(diào)用系統(tǒng)程序和CFD程序的邊界參數(shù)，并將這些參數(shù)值分別賦予相應(yīng)的程序作為邊界條件以進(jìn)行下一時(shí)間步的計(jì)算。但對(duì)RELAP5/FLUENT顯式耦合而言，這種方法相對(duì)較為復(fù)雜，且需較高的編程能力[13-14]。在本文中直接對(duì)RELAP5/MOD4.0源代碼進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)輸入輸出接口模型，同時(shí)FLUENT基于UDF功能直接讀入和輸出邊界參數(shù)，這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，也較易實(shí)現(xiàn)。

圖1為RELAP5和FLUENT在耦合計(jì)算時(shí)需實(shí)現(xiàn)交換的相關(guān)參數(shù)。FLUENT模擬區(qū)域的耦合出口邊界的輸出參數(shù)主要包括流體壓力p、空泡份額α、流體溫度T和質(zhì)量流量W，將作為下游RELAP5計(jì)算區(qū)域的入口邊界參數(shù)；同時(shí)RELAP5模擬區(qū)域也需反饋流體壓力p、流體回流溫度T及空泡份額α來(lái)作為FLUENT壓力出口邊界條件。對(duì)FLUENT的速度入口邊界而言，需輸入上游RELAP5流體壓力p、空泡份額α、流體溫度T和流體流速v等參數(shù)，同時(shí)反饋給上游RELAP5包括流體壓力p、空泡份額α、流體溫度T等參數(shù)來(lái)作為RELAP5計(jì)算的邊界條件。

圖1 耦合程序交換參數(shù)示意圖Fig.1 Exchanged parameter of coupled program

(1)

(2)

其中：Ai為FLUENT邊界單元格的面積；n為時(shí)間步數(shù)。輸出的平均溫度采用質(zhì)量加權(quán)的方式：

(3)

RELAP5整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要分為3部分：輸入部分(INPUT)，瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)計(jì)算部分(TRNCTL)，輸出部分(OUTPUT)。瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)計(jì)算部分負(fù)責(zé)將輸入數(shù)據(jù)按照變量所屬類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的熱工水力、控制邏輯等方面的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果保存在輸出文件中，它由TRNSET、TRAN和TRNFIN等子程序組成。其中，TRAN控制瞬態(tài)求解的步進(jìn)，進(jìn)行矩陣運(yùn)算，是程序最重要的部分，也是程序計(jì)算過(guò)程中耗費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)的部分。在RELAP5瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程中，TRAN子程序下的Dtstep子程序模塊控制時(shí)間步長(zhǎng)的大小與計(jì)算結(jié)果輸出、繪圖編輯的頻率。在瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)計(jì)算部分中，Dtstep子程序模塊中的Majout子程序控制大編輯輸出(圖3)，其特點(diǎn)如下：1) 該模塊全程參與瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)部分的計(jì)算；2) 按照輸入卡設(shè)定將計(jì)算過(guò)程中相關(guān)變量的數(shù)據(jù)輸出到輸出文件中；3) 程序中含有大量的變量信息，并可按照一定格式將其輸出到輸出文件中；4) 該子程序模塊具備一定的擴(kuò)展性，可添加變量，并進(jìn)行賦值、邏輯判斷等操作。

圖2 RELAP5主程序3大部分Fig.2 Three parts of RELAP5 main program

圖3 瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)計(jì)算部分的模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Modular structure of transient/steady state calculation part

基于RELAP5的上述特點(diǎn)，本文將程序所需要的輸入輸出模塊放置在該子程序模塊中，即從外部(如FLUENT)讀取數(shù)據(jù)，并賦值給程序變量；或?qū)⒊绦蜃兞康闹递敵龅酵獠俊Ｔ跓峁?shù)輸出功能上，RELAP5提供了小編輯輸出功能，通過(guò)設(shè)置輸出變量，可將數(shù)據(jù)輸出到輸出文件中，本文耦合程序動(dòng)態(tài)輸出功能則借鑒了該特點(diǎn)。通過(guò)修改小編輯卡相關(guān)模塊，禁止小編輯卡輸出，確保小編輯卡不會(huì)對(duì)耦合程序的輸出產(chǎn)生干擾。同時(shí)，將小編輯卡所含變量的數(shù)據(jù)傳遞給輸出變量；從而完成小編輯卡的輸出變量向動(dòng)態(tài)輸出變量的轉(zhuǎn)換。

如原RELAP5輸入卡301 mflowj 110010000命令，將會(huì)輸出編號(hào)為110的管道的質(zhì)量流到RELAP5輸出文件中，程序修改后的該命令將直接把質(zhì)量流輸出到外部。為了與原輸入卡小編輯輸出區(qū)分，同時(shí)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)輸出數(shù)據(jù)的數(shù)量，本文進(jìn)一步修改RELAP5小編輯模塊，在rmiedt子程序模塊中將輸入卡編號(hào)范圍從301～399修改為5 001～5 999；在Majout子程序中添加小編輯輸出代碼。程序修改后可通過(guò)輸入卡命令5001 mflowj 110010000直接將結(jié)果輸出到外部。

在RELAP5中，邊界條件主要是由時(shí)間相關(guān)變量來(lái)設(shè)置，包括時(shí)間相關(guān)控制體(TDV)、時(shí)間相關(guān)接管(TDJ)和隨時(shí)間變化的功率等。這些邊界條件參數(shù)主要包括液體/氣體的流速或流量，液體/氣體的溫度、壓力以及流體的空泡率等，其在輸入卡中以表格的形式進(jìn)行輸入，表值在RELAP5讀入輸入文件后保存在對(duì)應(yīng)的變量中，在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)插值函數(shù)來(lái)獲得不同時(shí)刻的變量值。因此，可通過(guò)修改表值來(lái)實(shí)現(xiàn)修改邊界條件的目的。以RELAP5輸入卡110TDJ質(zhì)量流為例：1100201 0.0 0.0，1100201 1.0 2.0，表示在0.0～1.0 s期間，110TDJ線性引入了2.0 kg/s的質(zhì)量流量。若在計(jì)算中動(dòng)態(tài)地將該表值0.0和2.0修改為3.0，則表示當(dāng)前1.0 s時(shí)，110TDJ的質(zhì)量流量為3.0 kg/s。其他邊界條件參數(shù)如流體的溫度、壓力等參數(shù)也可以通過(guò)這種方式輸入。通過(guò)這種動(dòng)態(tài)修改表值的方式可實(shí)現(xiàn)將FLUENT邊界條件傳遞給RELAP5。

耦合程序計(jì)算流程示意圖如圖4所示。在耦合程序中，RELAP5和FLUENT分別讀入各自的輸入文件，并進(jìn)行初始化。鑒于RELAP5是系統(tǒng)級(jí)程序而FLUENT多應(yīng)用于局部構(gòu)件的分析，RELAP5首先進(jìn)行第1個(gè)時(shí)間步的計(jì)算更為適宜。RELAP5在第1個(gè)時(shí)間步計(jì)算結(jié)束后，將FLUENT所需要的邊界參數(shù)傳遞給FLUENT；FLUENT在進(jìn)行該時(shí)間步的計(jì)算后將邊界參數(shù)傳遞給RELAP5，以便RELAP5進(jìn)行下一時(shí)間步的計(jì)算。通過(guò)這種方式在每個(gè)時(shí)間步不停地更新邊界參數(shù)，直到最后1個(gè)時(shí)間步完成整個(gè)瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程。

2 驗(yàn)證及應(yīng)用

2.1 flibe熔鹽在水平圓形管道流動(dòng)問(wèn)題

1) 圓管流動(dòng)問(wèn)題描述

首先利用flibe熔鹽在水平圓管流動(dòng)問(wèn)題來(lái)測(cè)試耦合程序。假設(shè)一水平圓管長(zhǎng)1.0 m，流通面積為3.14 159×10-4m2，初始?jí)毫?.101 325 MPa，初始流速為1.0 kg/s，初始流體溫度為873.15 K，管壁粗糙度為10-6m且絕熱。整個(gè)瞬態(tài)模擬時(shí)間為10 s，水平圓管入口處flibe熔鹽的流速初始時(shí)刻為1.0 kg/s，在2～4 s期間線性增加至1.5 kg/s，6～8 s期間線性減少至1.0 kg/s并保持不變直到10 s結(jié)束。

圖4 耦合程序計(jì)算流程示意圖Fig.4 Schematic of coupled program calculation process

水平圓管入口處flibe熔鹽的溫度初始時(shí)刻為873.15 K，4～6 s期間溫度線性增加到893.15 K并保持不變直到10 s結(jié)束。為了保持一致性，F(xiàn)LUENT采用RELAP5中的flibe熔鹽物性。圖5為flibe熔鹽圓管流動(dòng)的模型示意圖，分別采用RELAP5、RELAP5/FLUENT耦合程序及FLUENT對(duì)圓管進(jìn)行模擬。

2) 結(jié)果與討論

RELAP5、RELAP5/FLUENT耦合程序及FLUENT在圓管中耦合界面1和耦合界面2處的質(zhì)量流量和溫度變化分別如圖6、7所示。在整個(gè)瞬態(tài)模擬分析中，RELAP5/FLUENT耦合程序質(zhì)量流量先保持不變，然后線性增加到1.5 kg/s后保持約2 s不變，最后線性減少到1.0 kg/s并保持不變。其變化趨勢(shì)符合預(yù)期，也與RELAP5和FLUENT單獨(dú)計(jì)算的結(jié)果保持了較好的一致性。同時(shí)，耦合程序的流體溫度先保持873.15 K不變；當(dāng)圓管入口處溫度線性

圖5 flibe熔鹽圓管流動(dòng)的模型示意圖Fig.5 Model schematic of flibe salt flow in round tube

圖6 耦合界面1(a)和耦合界面2(b)的質(zhì)量流量Fig.6 Mass flow rate at coupled-boundary 1 (a) and coupled-boundary 2 (b)

圖7 耦合界面1(a)和耦合界面2(b)的流體溫度Fig.7 Fluid temperature at coupled-boundary 1 (a) and coupled-boundary 2 (b)

增加后，由于溫度熱傳導(dǎo)和流體流動(dòng)需一定時(shí)間，流體溫度在耦合界面1和耦合界面2位置處會(huì)在t=4.1 s時(shí)刻溫度開(kāi)始線性增加到893.15 K，并保持893.15 K不變。圖8為在耦合界面1和耦合界面2處RELAP5/FLUENT耦合程序與RELAP5、FLUNET的溫度差值隨時(shí)間變化的情況，其中，C-R表示RELAP5/FLUENT耦合程序和RELAP5的溫度差值；C-F表示RELAP5/FLUENT耦合程序和FLUENT的溫度差值。RELAP5/FLUENT耦合程序與RELAP5的溫度差值均小于0.01 K，與FLUENT的溫度差值也均小于0.30 K，相對(duì)誤差較小。其變化趨勢(shì)符合預(yù)期，與RELAP5和FLUENT單獨(dú)計(jì)算的結(jié)果保持了很好的一致性。

圖8 耦合界面處耦合程序與RELAP5、 FLUNET的溫度差值Fig.8 Temperature difference between coupled program and RELAP5, FLUNET at coupled-boundary 1 and coupled-boundary 2

RELAP5、RELAP5/FLUENT耦合程序及FLUENT在耦合界面1和耦合界面2位置處的管道中流體壓力變化分別如圖9所示。在t=2～4 s過(guò)程中，由于flibe熔鹽流速增加，管道中流體壓降變大，在出口壓力不變的情況下，管道中流體的壓力會(huì)逐漸變大；在t=4～6 s過(guò)程中flibe熔鹽溫度增加，黏性降低導(dǎo)致壓降變小，在耦合界面1和耦合界面2處中流體的壓力會(huì)降低；在t=6～8 s過(guò)程中，由于flibe熔鹽流速降低，管道中流體壓降變小，管道中流體的壓力會(huì)逐漸變小。RELAP5、RELAP5/FLUENT耦合程序和FLUENT在不同時(shí)刻耦合界面1和耦合界面2之間的壓降列于表1。RELAP5/FLUENT耦合程序與FLUENT計(jì)算的壓降比較相符，在t=4 s時(shí)最大相對(duì)誤差為2.0%，在可接受的范圍內(nèi)。RELAP5/FLUENT耦合程序和FLUENT計(jì)算的壓降，與RELAP5計(jì)算的壓降差距較大，這是由于RELAP5基于流體充分發(fā)展情況下計(jì)算流體壓降而RELAP5/FLUENT耦合程序和FLUENT采用低Re湍流模型，在進(jìn)出口效應(yīng)的影響下，耦合界面1處的流體尚未充分發(fā)展，導(dǎo)致壓降計(jì)算相對(duì)偏大?？傮w而言，RELAP5/FLUENT耦合程序與RELAP5、FLUENT計(jì)算的壓力變化比較一致。

2.2 2 MW熔鹽堆穩(wěn)態(tài)模擬

1) 2 MW熔鹽堆簡(jiǎn)介

液態(tài)燃料熔鹽堆基于在線干法處理技術(shù),可實(shí)現(xiàn)釷鈾增殖,是一種重要的研究堆型[15]。本文以一種2 MW液態(tài)燃料熔鹽堆的初步概念設(shè)計(jì)為研究對(duì)象。該液態(tài)熔鹽堆設(shè)計(jì)熱功率為2 MW，堆芯采用石墨作為慢化劑，熱工水力設(shè)計(jì)堆本體熔鹽的進(jìn)口溫度為873.15 K，出口溫度為893.15 K。一回路采用含有高富集度7Li的LiF-BeF2-ThF4-UF4熔鹽作為燃料鹽，二回路采用FLiNaK作為載熱劑，一回路質(zhì)量流量為55.4 kg/s。在利用RELAP5/FLUENT耦合程序模擬分析時(shí)，堆芯部分選取了1/4模型進(jìn)行CFD建模，堆芯外的系統(tǒng)回路采用RELAP5建模，如圖10a所示。下腔室設(shè)計(jì)采用喇叭狀結(jié)構(gòu)而流量分配裝置處于下腔室正中心，其厚度為18 mm，其結(jié)構(gòu)如圖10b所示。堆芯熔鹽通道1/4模型由圖11a所示的堆芯石墨組件構(gòu)成192個(gè)熔鹽通道，熔鹽通道的分布如圖11b所示。由于實(shí)驗(yàn)堆堆芯幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)堆幾何模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，CFD建模計(jì)算時(shí)省略了流量分配裝置支撐連接結(jié)構(gòu)。熔鹽堆部分材料的物性參數(shù)列于表2。在CFD模型中，對(duì)幾何結(jié)構(gòu)較為規(guī)則的堆芯活性區(qū)，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分；對(duì)于堆芯上下熔鹽腔室為橢球形結(jié)構(gòu)，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。網(wǎng)格質(zhì)量最差為0.45，約85%的網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.8以上。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析表明，當(dāng)計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量到達(dá)3 000萬(wàn)及以上時(shí)，可滿(mǎn)足CFD精確計(jì)算要求。

圖9 耦合界面1(a)和耦合界面2(b)的流體壓力Fig.9 Fluid pressure at coupled-boundary 1 (a) and coupled-boundary 2 (b)

表1 熔鹽在耦合界面1和耦合界面2之間的壓降Table 1 Salt pressure drop between coupled-boundary 1 and coupled-boundary 2

2) 結(jié)果分析

利用RELAP5/FLUENT耦合程序?qū)? MW熔鹽堆系統(tǒng)進(jìn)行分析，相對(duì)單獨(dú)的RELAP5系統(tǒng)分析結(jié)果而言，耦合程序可通過(guò)FLUENT模型計(jì)算獲得堆芯更加詳細(xì)的溫度分布和流場(chǎng)分布。堆芯的溫度分布如圖12所示，熔鹽在流經(jīng)堆芯的過(guò)程中，溫度逐漸上升并在堆芯活化區(qū)出口處達(dá)到最大值約905 K，隨后熔鹽在上腔室進(jìn)行混合，在出口處溫度約893 K。

圖10 熔鹽堆模型示意圖(a)與流量分配裝置結(jié)構(gòu)(b)Fig.10 Schematic of molten salt reactor (a) and structure of flow distribution device (b)

圖11 石墨組件(a)和熔鹽通道分布示意圖(b)Fig.11 Schematic of graphite assembly (a) and salt channel distribution (b)

表2 物性參數(shù)Table 2 Physical parameter

圖12 堆芯溫度分布示意圖Fig.12 Temperature distribution of reactor core

熔鹽堆下腔室流線示意圖如圖13所示，熔鹽由較窄的進(jìn)口管進(jìn)入較寬闊的下腔室，熔鹽經(jīng)歷一突然擴(kuò)展的流態(tài)，流線形狀近似于喇叭狀結(jié)構(gòu)，有利于熔鹽的流動(dòng)，避免了熔鹽在下腔室的渦流現(xiàn)象。下腔室設(shè)置流量分配板，有效抑制了熔鹽在下腔室中心區(qū)域的流速，使得熔鹽流體不是直接由進(jìn)口沖擊中心位置及其附近熔鹽通道，而是流經(jīng)分配板和其孔道向四周擴(kuò)散流動(dòng)。因而下腔室內(nèi)由渦流產(chǎn)生的流動(dòng)死區(qū)基本得到消除，在堆芯徑向流量分配相對(duì)均勻。

在堆芯活性區(qū)不同高度(z=0.0，0.4，0.8，1.1 m)下堆芯截面溫度分布如圖14所示。由于下腔室喇叭狀結(jié)構(gòu)和流量分配板的作用，熔鹽在進(jìn)入堆芯活性區(qū)(z=0.0 m處)各通道的流速和溫度相對(duì)分布均勻。熔鹽在流經(jīng)堆芯活性區(qū)過(guò)程中，熔鹽溫度逐漸上升。在同一高度下，堆芯中心區(qū)域熔鹽溫度略高于堆芯外圍熔鹽溫度。堆芯石墨受到熔鹽加熱，溫度會(huì)略比通道中的熔鹽溫度高。在z=0.0 m處堆芯石墨溫度約在878～882 K，隨著堆芯熔鹽加熱和石墨自身功率加熱，堆芯石墨溫度逐漸上升，在z=1.1 m熔鹽出口處，石墨溫度達(dá)到894～906 K。

a——0.0 m；b——0.4 m；c——0.8 m，d——1.1 m圖14 在不同高度下堆芯活性區(qū)截面溫度分布Fig.14 Temperature distribution of active core at different heights

2.3 2 MW熔鹽堆功率突變瞬態(tài)分析

功率突變瞬態(tài)分析是在上述穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。假定在t=0 s時(shí)堆芯功率突然增加10%并保持不變，熔鹽堆系統(tǒng)無(wú)其他安全設(shè)施引入?？紤]到熔鹽堆系統(tǒng)的復(fù)雜性及計(jì)算機(jī)計(jì)算性能的限制，整個(gè)瞬態(tài)分析過(guò)程中時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.01 s，模擬時(shí)間為200 s。突然引入的功率變化會(huì)導(dǎo)致堆芯和系統(tǒng)的溫度分布發(fā)生變化。耦合程序模擬分析的系統(tǒng)質(zhì)量流量和堆芯進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化如圖15所示。在瞬態(tài)計(jì)算中，一回路系統(tǒng)的質(zhì)量流量為55.4 kg/s保持不變；由于熔鹽具有較大的比熱容及在堆系統(tǒng)中的滯留效應(yīng)，堆芯進(jìn)口溫度在前期基本不變，出口溫度逐漸上升。在t=20 s時(shí)刻，堆芯出口的平均溫度為896.05 K，堆芯進(jìn)出口溫差為22.9 K。由于二回路換熱能力有限，流出堆芯的熔鹽溫度逐漸上升后，在流經(jīng)換熱器冷卻后溫度會(huì)高于873.15 K，且使得堆芯入口溫度在約t=30 s后開(kāi)始緩慢上升，在t=200 s時(shí)堆芯進(jìn)口溫度達(dá)到875.0 K。

圖16為瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程中，在t=5、10、15、20 s時(shí)刻堆芯的溫度分布。在初始時(shí)刻穩(wěn)態(tài)情況下，堆芯內(nèi)部最高溫度約906 K。由于堆芯功率的增加，堆芯內(nèi)部的最高溫度也發(fā)生變化。在t=5、10、15、20 s時(shí)刻，堆芯內(nèi)部最高溫度分別達(dá)到909.0、910.4、910.7和911.0 K。初始時(shí)刻，堆芯下腔室熔鹽平均溫度在874 K，局部區(qū)域平均溫度會(huì)達(dá)到875 K；在t=20 s時(shí)刻，由于堆芯功率增加，下腔室熔鹽平均溫度增加，局部區(qū)域溫度可達(dá)879 K；堆芯內(nèi)石墨溫度也相對(duì)升高，靠近堆芯上腔室附近的石墨平均溫度可達(dá)903 K。

圖15 系統(tǒng)質(zhì)量流量和堆芯進(jìn)出口溫度的變化Fig.15 Mass flow rate of system and temperature of reactor core inlet and outlet

a——5 s；b——10 s；c——15 s；d——20 s圖16 不同時(shí)刻堆芯截面溫度分布Fig.16 Temperature distribution of reactor core at different time

3 結(jié)論

以RELAP5與FLUENT程序?yàn)榛A(chǔ)，利用對(duì)RELAP5源代碼的二次開(kāi)發(fā)和FLUENT的用戶(hù)自定義函數(shù)進(jìn)行編程，采用顯式耦合的方式，開(kāi)發(fā)了RELAP5/FLUENT耦合程序，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)代碼之間數(shù)據(jù)交換。RELAP5在每個(gè)時(shí)間步進(jìn)行瞬時(shí)計(jì)算后，返回FLUENT所需的邊界條件參數(shù)，F(xiàn)LUENT在該時(shí)間步結(jié)束后返回RELAP5下一步計(jì)算所需的邊界條件參數(shù)，重復(fù)此過(guò)程，直到達(dá)到預(yù)定問(wèn)題的計(jì)算時(shí)間為止。利用RELAP5/FLUENT耦合程序?qū)? MW熔鹽堆系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在進(jìn)行系統(tǒng)分析的同時(shí)可獲得堆芯詳細(xì)的三維熱工水力效應(yīng)。該耦合程序可適用于包括flibe熔鹽等多種流體的管道流動(dòng)情況下的熱工水力分析；在進(jìn)行熔鹽堆系統(tǒng)分析中，堆芯及上下腔室等存在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，局部區(qū)域存在明顯的三維流動(dòng)或需要獲得三維溫度分布，也可基于RELAP5/FLUENT耦合程序進(jìn)行熔鹽堆的熱工水力分析。