Relap5仿真計算程序簡介

RELAP5/MOD3.2程序簡介1內容簡介1、歷史2、功能3、基本數(shù)學模型及基本建模單元4、軟件使用方法5、編程過程6、調試、糾錯21、歷史1966年RELAPSE（ReactorLeakandPowerSafetyExcursion）1968年RELAP2（ReactorExcursionandLeakAnalysisProgram）1971年RELAP3(同上）1975年RELAP41980年RELAP4/MOD71995年RELAP5/MOD2、RELAP5/MOD3.21997年SCDAP/RELAP5/MOD3.22002年RELAP5/MOD3.332003年RELAP5-3D（Revision2.2）2005年RELAP5-3D（Revision2.3）至今：大型計算程序間的耦合研究

RELAP5計算模型方法和實時性研究1、歷史42、功能RELAP5是Idaho國家工程實驗室（INEL）為核管會（NRC）開發(fā)的輕水堆瞬態(tài)分析程序，現(xiàn)已經(jīng)成為核電廠分析器的基礎。該計算軟件和RETRAN幾乎可以覆蓋輕水堆核電廠所有熱工水力瞬變和事故譜。52、功能63、基本數(shù)學模型及基本建模單元RELAP5/MOD3.2編碼說明文件共分七卷：第一卷：描述模型理論和相應的數(shù)值計算方法；第二卷：詳述代碼的運用和輸入數(shù)據(jù)準備；第三卷：介紹評價該軟件的實例，檢驗該模型；

第四卷：詳細討論RELAP5模型和關系式；第五卷：介紹過去幾年內發(fā)展狀況，提供指導；第六卷：介紹數(shù)值方法如何應用在RELAP5中；第七卷：介紹獨立的評估計算結果。73.1.1

水力學模型（hydrodynamicmodels）包括：場方程，狀態(tài)關系式，基本組成模型，特殊過程模型，組件模型等。下面將描述各個模型的具體內容和特點。3、基本數(shù)學模型及基本建模單元3.1數(shù)學模型83.1.1水力學模型——場方程9質量守恒動量守恒能量守恒103.1.1

水力學模型——狀態(tài)關系式在上面三大守恒方程中采用五個獨立變量，它們是P、ag

、Ug

、Uf,和xn

。其余的熱力學變量(溫度、密度、局部壓力、含汽量等)則可用這幾個獨立變量的函數(shù)來表示。為使方程線性化，除這些變量外,還需要一些狀態(tài)變量，表現(xiàn)為狀態(tài)關系式，用以確定狀態(tài)參數(shù)。例如：11通過確定流型和選擇合適的流動關系式，獲得界面曳力、剪切力、虛擬質量系數(shù)、壁面摩擦力，通過定義合適的傳熱機理確定壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，虛擬質量則通過空泡份額的計算公式進行推算。RELAP5/MOD2中所有的組成關系式使用時均選擇控制體中心為計算點；接管相關參數(shù)，也是以接管周圍的控制體中心參數(shù)進行估算的。組成模型幾乎涵蓋兩相流所有經(jīng)試驗驗證的模型。如下圖所示。3.1.1

水力學模型——基本組成模型12133.1.1

水力學模型——特殊過程模型143.1.1水力學模型——組件模型153.1.2熱構件模型熱構件用于模擬計算固體材料與水力學控制體之間的傳熱量，用于模擬核燃料、電加熱板、蒸汽發(fā)生器U形管、壓力容器壁、堆內構件等，它可以是矩形、柱形或球形；建模時，熱構件排列方向與流體流動方向一致，每個熱構件有左右兩個邊界，熱構件的每一個邊界最多能連接一個水力學控制體，而同一個水力學控制體可以連接多個熱構件。下表為具體熱構件模型。163.1.2熱構件模型173.1.3

TRIPSYSTEM

Trips為各種系統(tǒng)部件的動作提供觸發(fā)信號，例如使閥門在某一時刻打開，使泵在某時刻斷電，設置某些故障等。一般地，Trip的值是True或False兩種，并且在程序運行的每一個時刻，Trip的值都會由專門測試程序的檢測結果來確定。主要使用的邏輯符號有＝、>、<、≥、≤、≠等。

RELAP5程序的Trips有兩種基本的類型：變量Trip和邏輯Trip。變量Trip用來比較一個計算參數(shù)與另一個參數(shù)(或常數(shù))，從而確定Trip的值；邏輯Trip是由其他Trip相結合成的新Trip，確定其值。通過使用變量Trip和邏輯Trip，從而確定復雜的邏輯關系。18利用控制系統(tǒng)所列變量可以求解代數(shù)方程和一般的微分方程,處理各種參數(shù)之間的關系，執(zhí)行數(shù)學和邏輯運算等?？刂谱兞坑腥N基本的功能：(1)模擬各種設備的控制系統(tǒng)。RELAP5程序的控制變量部件允許使用者模擬現(xiàn)實系統(tǒng)中不存在的虛擬設備部件。例如采用滯后部件、超前滯后部件、比例積分部件和微分部件來模擬一個普通功能的控制器。(2)模擬“集中－節(jié)點”系統(tǒng)。例如：安全殼、安注箱、流動系統(tǒng)和均衡設備部件等擁有多參數(shù)的系統(tǒng)。RELAP5程序可以用控制變量組合成不同的控制邏輯來模擬特定部件的行為，結合這些控制邏輯和簡單的函數(shù)關系就可以用來模擬基本的熱工水力模型和“集中－節(jié)點”模型之間的相互作用。(3)還可模擬熱工水力學部件和熱構件的邊界條件。3.1.4

控制系統(tǒng)19部

件標

識功

能和－差(Sum-Difference)SUM允許變量進行加或減乘(Multiplier)MULT允許變量進行乘法除(Divide)DIV允許兩個變量進行除法微分(Differentiating)DIFFRENIorDIFFREND允許變量對時間進行微分積分(Integrating)INTEGRAL允許變量對時間進行積分函數(shù)(Function)FUNCTION以查表或線性內插方法給出變量函數(shù)標準函數(shù)(StandardFunction)STDFNCTN對指定的變量進行絕對值、平方根、冪、自然對數(shù)、正弦、余弦、正切、反正切、最大值、最小值延遲(Delay)DELAY對指定的變量進行時間的延遲運算單位TripTRIPUNIT在某指定時間變?yōu)門ure(當Ture=給定因子,當False=0);也可定義為補充函數(shù)Trip延遲TRIPDLAY在某一指定時間變?yōu)門ure(whentrue=trip，timexfactor,whenfalse=-1)整數(shù)冪POWERI對變量進行整數(shù)I次冪運算實數(shù)冪POWERR對變量進行實數(shù)R次冪運算變量冪POWERX對變量進行實變數(shù)V次冪運算比例積分PROP-INT定義一個比例積分控制器滯后LAG定義一個滯后控制函數(shù)超前滯后LEAD-LAG定義超前滯后控制函數(shù)常數(shù)None定義一個被用作其它變量的常數(shù)值傳動軸SHAFT定義與發(fā)電機連接的傳動軸特性泵控制PUMPCTL定義泵控制器(用于穩(wěn)態(tài)分析)蒸汽控制STEAMCTL定義蒸汽流動控制器(用于穩(wěn)態(tài)分析)給水控制FEEDCTL定義給水流動控制器(用于穩(wěn)態(tài)分析)20點堆反應堆動力學方程：裂變產(chǎn)物衰變模型錒類核素衰變模型方程簡化方法反應性反饋反應堆動力學數(shù)值方法3.1.5

點堆動力學模型213.2基本建模單元22部件標識圖示主要用途單一控制體(Single-volume)SNGLVOL表示一部分不需要管或分支的流管管子或環(huán)路(Pipeorannulus)PIPE模擬管道(1~100),內含接管ANNULUS模擬環(huán)行流道分支(Branch)BRANCH表流管的接合處，最多十個交叉點SEPARATR分支的特殊形式，模擬SG的汽水分離器JETMIXER分支的特殊形式，模擬噴射泵TURBINE分支的特殊形式，模擬汽輪機ECCMIX分支的特殊形式，模擬具有很大濃縮率的流管結合處單一接管(Single-junction)SNGLJUN連接兩個部件多接管(Multiple-junction)MTPLJUN連接部件，允許100個以上的結合點時間相關控制體(Time-dependentvolume)TMDPVOL規(guī)定系統(tǒng)模型的邊界條件時間相關接管(Time-dependentjunction)TMDPJUN連接兩個部件同時規(guī)定接管的邊界條件閥(Valve)VALVE模擬止回閥、觸發(fā)閥、慣性閥、馬達閥、伺服閥和釋放閥及其動作，閥門是一種特殊的接管泵(Pump)PUNP模擬離心泵和其動作安注箱(Accumulator)ACCUM模擬PWR安注箱，包括容器和波動管234、軟件使用方法4.1Relap5/MOD3.224輸出文件和再啟動文件運行i文件，會得到一個輸出文件和一個再啟動文件，其后綴名分別為“.o”和“.r”。輸出文件（o文件）數(shù)據(jù)：輸入文件的數(shù)據(jù)卡、系統(tǒng)運行后各個部件的參數(shù)變化信息和診斷信息以及再啟動號碼。再啟動文件（r文件）數(shù)據(jù)：瞬態(tài)計算的所有參數(shù)，用于提取數(shù)據(jù)和作圖。r文件是需要及時保存的重要文件，必須確保其完整性。25穩(wěn)態(tài)運行Relap5/MOD3.226安裝過程：進入“relap53.4——MOD34DEMO——RELAP5——InstallRELAP5.bat(雙擊該文件，按照提示進行操作)”，再將目錄relap53.4下面的“RunRELAPSCDAPSIM”復制到程序安裝后的目錄下面即可。4.2Relap5/MOD3.4DEMO27操作過程:雙擊“RunRELAPSCDAPSIM”圖標，2829繪圖30提取數(shù)據(jù)315、編程過程

——所有流動面積；

——所有流動長度；

——所有垂直方位角；

——足夠的幾何參數(shù)以計算水力直徑；

——壁面粗糙度；

——足夠的信息以確定流動損失；

——初始條件；

——泵特性。5.1收集和組織信息5.1.1水力學32

——材料厚度；

——材料質量；

——管子長度；

——內外徑；

——材料類型；

——材料物性（溫度的函數(shù)），如：熱導率，密度，比熱等；

——加熱功率（有熱源）；

——熱源位置；

——初始溫度分布。5.1.2熱構件5.1收集和組織信息335.1收集和組織信息5.1.3控制系統(tǒng)

——控制系統(tǒng)圖解；

——確定被控制系統(tǒng)的水力學部件（或熱構件）與各個控制系統(tǒng)的關系；

——控制器特征；

——過濾器特性；

——設定點；

——增益；

——飽和條件；

——滯后；

——控制部件特性；

——valvestrokerate；

——最大最小泵速；

——最大最小循環(huán)率。345.1收集和組織信息5.1.4中子動力學

——初始反應性；

——exposuredata；

——緩發(fā)中子份額數(shù)據(jù)；

——裂變產(chǎn)物產(chǎn)生份額；

——錒產(chǎn)生份額；

——反應性特性；

355.1收集和組織信息5.1.5其它1、最終安全分析報告。2、打印相關資料：反應堆壓力容器，蒸汽發(fā)生器，蒸汽管線，給水線圖，穩(wěn)壓器，反應堆冷卻劑泵，安注箱，安注管線。3、管路系統(tǒng)和設備圖表。4、保護措施、限制條件和具體文件。5、操作程序（或步驟）。6、燃料和反應堆動力學具體信息。7、泵特性（主泵RCP，應急堆芯冷卻泵ECCP，排量泵，主、輔給水泵等。8、閥信息。9、裝置啟動測試數(shù)據(jù)。36組織好需要模擬的系統(tǒng)相關信息后，接下來就要對系統(tǒng)中要模擬的部件進行隔離，把它們分成一個個的控制體，即“建?！被颉肮?jié)點劃分”

。同時，還要定義要模擬的系統(tǒng)的邊界條件。系統(tǒng)經(jīng)過建模后，模型的每一部分被分成具體的部件，與相應的控制體對應。這些控制體被描述為有入口和出口接管的流管，而接管把各種控制體連接在一起，組成整個模型圖。ELAP5程序計算的是整個模型的控制體中心的平均流體屬性和控制體接管中的流體各種向量屬性。系統(tǒng)的模型可以進行非常細致的劃分，如每個控制體可以分成兩個一般大的節(jié)點，但是并不是越細致越好，因為還要考慮計算的穩(wěn)定性和收斂性、運行的時間和費用等問題。因此，合適的建模是很重要的，這需要由實際計算問題的要求來確定，用戶也可以依據(jù)自己的經(jīng)驗來確保整個仿真計算的靈敏性和穩(wěn)定性。最后在建好的模型的基礎上，得到邊界條件和仿真計算的初始條件，為制作數(shù)據(jù)輸入卡做好準備。5.2定義邊