【Apros® Datasheet】热工水力建模（下）

不同热工水力建模方法的比较：基本守恒方程

热工水力的计算基于两相的质量，动量和能量的保守方程。 方程式是以欧拉形式写成，忽略扩散项。

下表中的方程是针对不同的方法进行求解的。热工水力仿真较重要的方法是均质模型（3个守恒方程），漂移通量模型（5个守恒方程）和双流体模型（6个守恒方程）。

如果模型中包含蒸汽中的非凝性气体组分（氮气，氢气，放射性）和液体中的溶解物质（硼酸，杂质），则需要附加方程式。

双流体模型

离散守恒方程在迭代求解器中求解。 6方程模型中的物理内容被描述为以下几个方面的闭包关系：

• 所有传热模式下的壁面传热

• 液体和蒸汽之间的界面传热

• 蒸汽和液体分别的壁面摩擦

• 液体和蒸汽之间的界面摩擦。

物理的形成是通过基本关系考虑每种现象以机械方式建立的。 

漂移通量模型

在5方程模型中，液体和蒸汽动量方程（3和4）被混合动量方程所代替。 在漂移通量模型中，动量方程仅针对混合物求解，并且相分离通过空隙分数的扩散方程求解。

5方程模型中的物理内容被描述为以下几个方面的闭包关系：

• 在所有传热模式下的壁面传热

• 液体和蒸汽之间的界面传热

• 蒸汽和液体混合物的壁面摩擦

• 漂移通量模型参数。

均质模型

通过假设两相的速度相同（=混合动量方程）和混合物的一个能量方程，得到简化方程。 这种均质模型适用于小直径管道网络。由于其简单性，计算速度比5和6方程模型快。将3方程（均质）模型中的物理内容描述为闭包关系：

• 所有传热模式下的壁面传热（如果描述了结构）

• 蒸汽和液体混合物的壁面摩擦。

通过假设在具有大流量面积的罐体和大量体积的管道中完全相分离，可以改进3方程模型。

适用于不同模型

一般来说，均质模型（三方程模型）是辅助系统，给水系统，汽轮机调节阀后的主蒸汽系统等的实用解。该模型还可以描述由于闪蒸或冷凝引起的相变，但不采取考虑不同的相速度。另一方面，小直径管道中的相分离可忽略不计。 在大直径的储罐中也可以描述这些特征。 与其他模型一样，3方程模型可以扩展为液体中的非凝性气体和可溶性组分。

5方程或6方程模型适用于描述核电站的一次回路，锅炉厂的水循环等……无论是否使用5或6方程模型，都不容易直接给出任何评价。 关于不同方法的论据可以描述如下。 

漂移通量模型功能

• 混合物相分离的解决方案使算法更稳定，并允许更简单（清晰）的求解算法（+）

• 只有少数分析代码（ATHLET）应用5方程解决方案。在相关基础上相对于双流体模型，相分离模型会比较困难。在漂移通量模型中，许多子现象通常在（ – ）中进行定制。 比较该模型的一个很好的参考是EPRI（+）开发的全范围漂移通量模型。

• 由于实验仪器有限，结果通常用于测量混合物，而不是测量相分离。因此，使用实验数据（+）可以更容易地确定漂移通量相关性。

• 使用5方程模型（ – ）无法很好地描述长管道中的分层（底部的水，蒸汽在水位以上自由流动）。在反应堆管道（+）中建模不是一个大问题。

• 添加到液相中的动量未正确建模（ECCS注入热管段，在紧急堆芯冷却期间夹带芯中的液滴，喷射注入BWR堆芯中）（ – ）

• 水位空隙轮廓比双流体模型更清晰。 漂移通量形式最适用于具有上升气泡的连续水。 因此，它自然地预测了较重要的物理量-必不可少的水位（核心开发，蒸汽发生器二次侧，稳压器，环路密封）（+）。

双流体模型功能

• 与5-方程模型(-)相比，两相分离的求解难度较大，但以现有知识为基础。 可以注意到两种方法，迭代算法（更长的求解时间（ – ），清晰的结构（+）和两步集-方法（较快的解法（+），复杂的结构（ – ））。

• 大多数众所周知的分析代码（TRAC，RELAP5和CATHARE）都适用于6方程解。因此，与其他分析代码相比，物理内容是比较容易的。由于双流体模型中的物理特性通常以机械方式描述，也用于相分离，因此基本分段的比较比复杂漂移通量式（+）的比较更容易。 数值算法中的问题可能导致无法从相关性预测双流体模型的物理响应（ – ）

• 由于实验中的参数通常是针对混合物测量的，而不是对各相进行单独测量的，因此界面摩擦和传热关系必须基于其他假设。

• 长管道中的分层（底部的水，在水位以上自由流动的蒸汽）也可以用6方程模型（+）在长管道中描述。

• 将添加到单相的动量正确建模。 如果热管段中的ECCS水被注入到压力容器，尽管蒸汽速度很大，但流动的水可以到达上部压力通风系统。 在BWR中，可以使用双流体模型更加物理地描述向核心中的喷射注入。在PWR中，对回灌过程中的水夹带进行了更加物理地描述（+）

• 水位空隙剖面需要比漂移通量模型（-）需要更多的节点。