【Apros® Datasheet】热工水力建模（上）

Apros®热工水力模型库包含三种不同的热工水力模型，用于一维水/蒸汽/气体流动（均质，5方程和6方程），一个用于单相流动，一个用于安全壳，另一种是带有储罐动力学的稳态流动。 使用质量，动量和能量守恒方程以及摩擦和传热的相关性来描述热工水力。 除非另有说明，否则此处的介绍和共同特征仅涉及均质，漂移通量（5方程）和分离的两相流（6方程）模型的热工水力模型。

除稳态模型外，所有模型均采用交错网格离散化方案。 在该方案中，诸如压力和焓的状态变量在网格的中间，即在节点中计算。 在两个节点的边界处，即在分支中计算流量相关变量。 通过使用快速查找表获得水和蒸汽特性作为压力和焓的函数。 所有模型都包括泵和阀门的影响以及硼浓度的计算。 在所有两相流模型中使用统一的不可冷凝气体模型以及化学品和放射性物质的传输。

所有热工水力模型都包括几个相关集，可根据电厂建模需求进行更改。 通过定义模型特定的传热模块，可以将热传导解决方案连接到所有热工水力模型。 根据经验相关性计算固体热结构和流体之间的热流量。传热方式基于壁，流体和饱和温度来定义。可以使用不同的热工水力模型来描述仿真系统的单独部件。 可以使用特殊连接模块互连不同的模型。

均质模型

一维均质两相流模型（三方程模型）基于混合物的质量，动量和能量守恒方程。 因此，在该模型中，水和蒸汽/气体具有相同的速度和温度。 对于流速通常较小的大垂直体积，可以使用特殊节点，其中水和蒸汽完全分离。

五方程模型

五方程模型基于气相和液相的质量和能量守恒方程以及相间混合的动量守恒方程。通过这些方程式求解压力和体积流量以及相的焓。使用单独的漂移通量模型来解决两相的速度。

五方程模型有自己的相关包，用于计算摩擦和传热。 在五方程模型中，不需要迭代，因此在大型应用中计算速度也很快。

六方程模型

六方程模型基于两相的质量，动量和能量守恒方程。 这些方程与描述各种两相现象的经验相关性相结合，如壁面和界面的摩擦和传热。 使用迭代程序从离散方程求解各相的压力和速度，体积分数和焓。

六方程模型特别适用于在安全分析和设计计算中所需的快速瞬变中的密集节点化的精确模拟。

具有储罐动力学的稳态模型

稳态模型基于质量和能量守恒方程。 求解器是顺序模块化的。

稳态模型适用于不需要全动态压力流溶液或两相流且过程组件的输入数据稀缺的情况。在最简单的情况下，仅需要过程拓扑和罐体尺寸来使用该模型。 这样可以快速建模。 因此，稳态模型可以作为建模项目的第一阶段。 之后，需要更精确计算的模型部分可以转换为使用更高级的流动求解器来解决。

安全壳

安全壳模型基于质量，动量和能量的守恒方程。模拟的安全壳由子体积（节点）和子体积（分支）之间的流动路径进行描述。 安全壳模型可以任意划分为节点和分支。 每个节点包括气体区域并且还可以包括液体池。 在气相中，蒸汽和不可冷凝的气体的温度是一致的，但液相和气相可具有不同的温度。 假设气体分支连接两个节点的气体区域，并且仅计算气体流动。 对于液体流动，可以使用液体分支。 节点的气体区域可以连接到一个或多个热结构。 安全壳模型计算气体区域和热结构表面之间的热传递。 通过使用Apros中可用的一般热传导模型计算热传导。

喷淋喷雾或来自其他系统的泄漏流可以引入任何节点。 泄漏可以指定为泄漏质量、流量和焓的时间关系表，或者通过定义热工水力节点和安全壳节点之间的流动路径来指定。 包括凝结池的模型。 安全壳喷淋系统模型基于完整的混合液滴模型，该模型假设液滴温度分布均匀。液滴表面温度由于其对传热和传质的强烈影响而分别进行考虑。 使用液滴和气相之间界面的能量平衡来进行迭代。该模型考虑了由于蒸汽冷凝或水蒸发引起的液滴尺寸的变化，不可冷凝气体对传质系数的影响以及物理性质的温度依赖性。 也可以为安全壳的外表面指定喷雾冷却。

非凝性气体

在5方程和6方程模型中，计算非凝性气体扩散。 在6方程模型中，求解了非凝性气体的质量守恒方程，并在压力和焓解中考虑了非凝性气体性质的影响。

在均质模型中，空气可以定义为节点，但是它不能从一个节点流到另一个节点。 在计算压力时考虑空气质量。

离散化

Apros的流场解决方案基于交错网格离散化方案。在该方案中，在网格的中间，即在节点中计算诸如压力和焓的状态变量，并且在两个节点的边界处，即在分支中计算与流量相关变量。这些节点和分支构成了热工水力解决方案的计算等级。

流体截面结构

除了热工水力网络，Apros还创建了所谓的组合网络或区域级别。 该网络负责处理热工水力网络中流动的物质浓度和材料属性。这样就可以分别定义和求解热工水力和材料属性的解决方案数据。 指定流体属性数据的模块称为流体部分，网络本身由组合分支和节点组成。 每个节点都有一个部分属性。 该部分定义了模拟流体及其属性。 此外，该部分定义了用于压力流动解决方案的系统。

在截面水平上，研究了流体中物质的压力，焓和质量分数对材料属性的影响。此外，浓度解决方案是在截面水平上制作的。

在组合网络中，使用通过热工水力解决方案而获得的流量来求解浓度。由于某些关联式不能用于不同的流体，必须在截面水平上选择传热关联式。物质之间的化学反应按截面水平计算。

使用过程组件模块定义工艺模型时，将自动创建组合网络和热工水力网络的模块。它们的参数是从用户给出的过程组件的输入数据生成的。

边界条件

通过定义几个仅用作边界条件的变量，已经实现了Apros模型中边界条件的灵活定义。流动模型的正常边界条件是压力或/和质量流量边界。热工水力节点中的热流边界条件可以直接定义或借助于热工水力节点和热结构表面之间的传热系数来定义。还可以限定进出热结构表面的热通量和热量产生。 热结构的表面温度可以定义为恒定的。

边界条件变量可以由特殊边界条件模块控制。 它是一个有用的工具，可用于在数据库中移动数据，并在模拟过程中借助现有数据库变量计算新变量。边界条件定义可以通过子过程系统应用于更大的变量组。边界条件模块包括改变要传送的变量值的不同功能。边界条件模块的典型应用是定义热工水力边界的值，但它绝不限于Apros的任何物理模型。

热工水力模型的互连

可以使用不同的热工水力模型来描述模拟系统的单独部件。 不同的模型可以通过特殊的连接模块互连。

在所有连接模块中，较低级别的模型使用较高级别的压力作为边界条件，并计算两个级别之间的质量流量。 较高级别的压力解决方案使用质量流量作为边界条件。 焓和浓度溶液根据级别之间的流动方向使用另一级的焓和硼浓度。 连接不是默认的（可以强制使用迭代解决方案），因此应该在要连接的系统不高度依赖于流动的位置进行不同解决方案系统之间的划分。

虽然连接模块计算均匀混合物的流量，但是5和6方程模型需要关于两个阶段的信息。 因此计算出相的流量，焓，体积分数和密度。 由于气相的所有特性都不能用于单相模型，因此不建议将其连接到真正的两相系统中。

互连规则

当单相模型或均质模型连接到5或6方程模型节点时，应遵循以下规则：

• 从单相或均质模型中，由5或6方程模型模拟的截面被视为外部点，并且在这种点中预估准静态压力行为。

• 小型5或6方程模型节点不能在阀门后面隔离，阀门可以完全关闭。

• 小型单相和均质模型节点可位于关闭阀门后面。 它们的压力平稳跟随5或6方程模型压力。

• 如果使用单相或均质模型描述的管道从两端连接到5或6方程模型，则管道必须具有足够的流动惯量（长度/面积> 100 m / m2）。 

节点化原则

有关热水力模型节点化的一般规则如下：

• 建议使用相同大小尺寸的节点大小（例如，对于实际的反应堆过程，节点大小为1到30 m3）。

• 有时，在3和5方程模型中，水平和垂直剖面应使用不同的节点。

• 在轴向焓（核心，蒸汽发生器，稳压器）或轴向空隙率分布（核心，上压力通风系统，回路密封）非常重要的部分需要更密集的节点化。 在环形密封件，上部增压室，降液管和稳压器中，可以通过使用特殊节点类型来避免密集节点化。

• 在蒸汽发生器中，液体分离必须由特殊的分离节点或分支来描述。

• 流量限制和压降由分支属性描述。 减小的流动面积和增加的压力损失系数以类似的方式增加压降。

• 相分离特性由分支流区域描述。在5和6方程模型中更大的流动面积可以进行更好的相分离。

热结构模型

热结构中的热传导的一维解决方案可与所有热工水力模型一起使用。 还为需要更高精度的任务提供了二维热传导模型，但它只能用于圆柱坐标系。 每个热工水力模型都有自己的传热关联组件和一个独立的传热模块来连接解决方案。与不同热工水力模型连接的热结构均使用相同的模块类型来定义。热结构自动分成不同的部分，它们与相应的流体系统一起求解。

热传导模型包括作为许多常见材料的材料特性数据例如温度函数。无需修改代码即可轻松添加新材料属性。 

热工水力模型中使用的数值方法的一般特征

偏微分方程的数值解是基于隐式或半隐式时间积分（隐式欧拉）。 控制体积方法用于空间离散化并且采用交错网格，即动量方程的控制体积相对于压力和焓方程的控制体积而进行置换。 在对流条件下采用迎风格式。 隐式时间积分导致每个时间步长求解一组代数方程。 将代数方程线性化，然后迭代求解（对于3和6方程模型）。热工水力解决方案算法是SIMPLER方法的改编。 5方程模型使用预迭代校正算法而无需迭代。

硼传输

硼浓度和传输在均质，5方程和6方程模型中进行计算。假设硼保持液相（5方程和6方程模型）。

热工水力库包含在以下产品中

• Apros® Combustion

• Apros® Nuclear