刘伟1，朱元兵3，白宁3，单建强1，张博1，苟军利1，厉井钢”
（1.西安交通大学核科学与技术学院，西安，710049；2.中国核动力研究设计院，核区应增系统设计技术国家级重点实验室，成都，610041；3.申科华核电技术研究院，深圳，518026）
测值与实验测量值及其他子通道程序的预测值进行了对比分析，结果表明：ATHAS能够准确预测 GE3X3组件内的热工水力参数分布，展示了ATHAS可忽的物理模量，本文对ATHAS进行稳态验证的思路和方法，对我国核电站热工水力软件自主化的设计开发具有借鉴意文.关键词：子通道分析程序ATHASGE3X3组件；稳态验证
中图分类号：TL.333 文章标志码：A 文章编号：0258-0918（2014)02-0187-06
Steady-stateVerification ofThermal-hydraulics Sub-channel Analysis Code ATHAS
ZHANG Bo′ GOU Jun-li? LI Jing-gang?
(1. School of Nuclear Science xnd Technology Xi'an Jiaotong University Xi'sn 710049 Chinss2. State Key Laboratory of Reactor Sysem Design Technology Nuclear Power Institute of China Chengd 10o41 Chins; 3. Chins Nuclear Power Technology Resesrch Institute Shenzhen 518026 Chins)
Abstraet; GE3 × 3 test bundle experiments were simulated with sub-channel analysisexperimental measurements and other sub-channel codes show that ATHAS is capable code ATHAS.Comparisons of the obtained results by ATHAS code with theto predict thermal-hydraulic parameters distribution in GE3× 3 ponents accurately.All of this demonstrates the reasonable physical models and powerful applicationdevelopment of thermal-hydraulic program of nuclear power plant in China. functions of ATHAS. The work of this thesis can be taken example by the design and
Key words;sub-channel code ATHAS; GE3×3 bundle; steady-state verification
交混模型：通过对均匀/非均匀加热工况下棒束出口含气率和质量流速的对比，验证ATHAS的传热模型和两相交混模型；最后，给出ATHAS预测较差的工况范围和改进方向，
反应堆热工水力分析研究的主要内容是分析燃料元件内的温度分布、冷却剂的流动和传热特性、预测在各种工况下反应堆的热工参数，以及在各种瞬态和事故工况下，压力、温度、流量等参数随时间的变化过程，子通道程序在 反应堆热工水力分析中发挥着不可替代的作用.
表1给出了子通道程序ATHAS计算时所采用的两相流动和换热关系式.
泰1ATHAS的计算关系式Table 1 Calculation formula of ATHAS
程序的验证是程序开发的重要组成部分，也是程序应用的首要前提.只有经过全面验证 的程序才能获得国家相关部门的审批，才能成为真正意义上的应用程序，
模型 关系式热平实模型 液相热非平衡态交混模型 Carlucci热量/动量交混 和汽施扩散交程层流摩擦系数 f=64 Rr1说单相摩擦系数 Blasius关系式两柜摩擦倍增因子 再相形阻园子 Armand 模型 均勾筏模型单相对流扶热关系式 Dittus-Boeler 关系式横流阻力四子 0.5
就程序的计算状态面言，对子通道程序的全面验证包括稳态验证和瞬态验证，稳态验证包括：单管验证、燃料棒束验证以及全堆芯验 证：瞬态验证包括：功率瞬变验证、流量瞬变验证等.就程序的开发流程而言，对子通道程序的全面验证可分为模型验证（传热模型、压降模型、交混模型等）、程序计算流程的验证以及总 体验证等部分.
本文利用GE3X3实验数据和已有子通道程序的计算结果对具有自主知识产权的子通道程序ATHAS进行稳态验证.
2GE3X3组件验证
GE公司采用电加热3X3棒束模拟了典型BWR运行工况，且已发表相关测试结果 GE3×3棒束实验包含三个子实验：（1）单相绝热流动实验；（2）轴向、径向均匀加热实验；（3）轴向均匀、径向非均匀加热实验.
1ATHAS简介
ATHAS (Advanced Thermal-HydraulicsAnalysisSub-channel）是由西安交通大学研制的具有自主知识产权的热工水力子通道分析程 序.ATHAS采用五方程漂移流模型（包括质量守恒方程、动量守恒方程、混合能量守恒方程、液相能量守恒方程和气相能量守恒方程）和压力-速度修正的交错网格数值解法，考虑轴向 和横向的相对速度以及空泡扩散，可以模拟各种几何形状和流动方向（如压水堆，沸水堆和重水堆），既能用于亚临界工况又能用于超临界工况，还能够分析严董阻塞、倒流、汽液逆向流等复杂堆内运行工况，另外，ATHAS还可以 模拟不同的流体，包括轻水、重水、液态金属、氟利昂、二氧化碳等.
图1为GE3X3棒东横截面示意图.
Fig 1 Cross section of GE 3X3 bundle
图1GE3X3棒束横截面
本文利用子通道程序ATHAS对GE3X3道程序的计算结果进行对比：利用单相绝热流 组件进行稳态计算，并与实验结果及已有子通动实验验证ATHAS的流量分配模型和单相
参数. 表2列举了GE3X3棒束的几何和水力学
着质量流速的增大面增大，除此之外，ATHAS和WOSUB的预测精度相当，说明ATHAS的流量分配模型和单相交混模型是可靠的.
Table 2 Geometric and hydraulicparameters of the 9-rod GE bundle
表2GE3X3棒束的几何和水力学参数
养数 0量 数值 9直径 1. 448 cm相邻棒的间款 角通道半径 0.427 cm 1. 016 cm掺和壁面的间款 0.343 cm水力直径 加热长度 1. 204 cm182. 880 cm
2.2均匀加热实验验证
为2D和2E两个系列，这两个系列的数据总 GE公司所获得的均匀加热的实验数据分结在表4中，子通道出口含气率随平均含气率的变化分别如图3、图4所示.
表4均匀加热实验工况数据s p n o so s o
工砚 入口温度 / 质量流速G/ (Mg/m²s) 热流密度Q/ (MW/m²) 含气率 平均2D1 155. 32 0.732 1. 420 0.1102D0 226. 03 0.732 1. 420 0.3182E1 216. 64 1. 465 1. 420 0. 0352E2 2E3 239.83 271. 90 1. 465 1. 438 1.420 1. 420 0.106 0.215
2.1单相绝热流动实验验证
子通道间的流量分配，同时检验单相满流交混 GE公司进行绝热流动实验的目的是检验模型的有效性.表3给出了绝热流动实验工况数据，图2对比了不同工况下各子通道出口的质量流速.
Table 3 Test conditions for isothermal cases 表3绝热流动实验工况数据
工泥 质量流速/（Mg/m²s） 人口温度/1B 0.651 67. 19IC ID 1.343 2 048 67.19 67.191E 2.672 67.19
Fig. 3 Comparison of ATHAS with GE 图32D系列工况含气率变化图experiments of 2D conditions for sub-channelexit quality as a funetion of bundle
averaged exit quality
含气率的增大面增大.在通道中，中心通 实验发现，各子通道的出口含气率随平均道是最热通道，角通道是最冷通道.边通道的含气率与平均含气率最为接近，中心通道的含气率则始终高于平均含气率，面角通道的含气率则要低于平均值，这是因为：角通道周围不加热的壁面上存在着厚厚的较冷的液膜导致蒸 汽优先向棒束中间移动.
图2子通道出口质量流速与实验值的对比 Fig. 2 Comparison of messured withpredicted exit sub-cbannel mass velocityfor GE isothermal cases
由图2可见，ATHAS的计算值同实验值的整体偏差保持在10%以内，吻合较好，只是在高质量流速下的角通道误差偏大.遗的是GE并没 有给出这些测试结果的误差带，我们推测误差随
ATHAS在高质量流速下的角通道预测误差偏大，而WOSUB和COBRA-IV对该工况下角通道质量流速的预测也出现失误.相比而COBRA-IV对角通道的预测值较实验值偏低. 言，ATHAS和WOSUB的预测结果较好，图中各子通道程序的预测误差是其所采用的两相流模型和交混模型共同作用的结果.显而易较高，这将为其他子通道程序的改进提供参考 见，增加蒸汽扩散模型后的WOSUB预测精度和借鉴，
图42E系列工况含气率变化图Fig. 4Compsrison of ATHAS with GEexperiments of ZE conditions for sub-channel exit quality as a funetion of bundleaveraged exit quality
2.3非均匀加热实验验证
GE公司通过给各个燃料棒施加不同的功向功率峰值因子如图6所示.各实验工况数据 率以实现径向不均匀加热，轴向均匀加热.径如表5所示.
均含气率的相对误差大约集中在5%~15%， 通过统计计算发现，子通道的含气率同平这是由于工质从弹状流向环状流过渡加强了交混的缘故，整体而言，ATHAS的预测结果与实验结果吻合良好，
在工况2E1中，ATHAS预测的角通道含气率高于平均值，面中心通道含气率低于平均值，与实验结果不符.因此，ATHAS在低含气率工况下需谨慎使用.即便如此，ATHAS在COBRA-IV等子通道程序的结果. 此工况下的预测结果要明显优于WOSUB、
图6各排径向功率峰值因子Fig. 6 Rsdial power peaking pettern for the 9-rod GE bundle
图5所示为子通道出口质量流速与实验值的对比.
pg iu so 5 a 表5径向不均匀加热实验工况数据
质量流速G/热流密度Q/ 平均工况 人口服度 T/C (Mg/m*s) (MW/=²) 含气率3D1 147.84 0 739 1. 420 0. 0843E1 216.64 1. 465 1.420 0.0353E2 241.94 1.438 1.420 0. 100
表6汇总了各子通道出口质量流速和含气率的实验值及相关子通道程序的预测值.本次验证选取热角通道、冷角通道、热边通道、冷边通道和热中心通道来进行对比分析.
图5子通道出口质量流速与实验值的对比 Fig. 5 Comparison of measured withpredicted exit sub-channel mass velocityfor GE uniformly heated cases
表6数汇总表Table 6Comparison of measured and predicted quality and mass velocitydistributions for GE non-uniformly beated cases
类型 工R 热角通道（1） 6 冷角通道（16） 热边通道（2） G X 玲边道道（15） G x 热中心通道（6） G实验值 0.437 0. 123 X 0. 481 G 0.024 X - - 0.852 0. 037 - XWOSUB 3D( 0.650 0.191 0.635 0 007 0.685 0. 197 0. 773 -0.017 0.739 0.167COBRA 0. 467 0. 220 0.371 0.017 - - 0 568 0.024 - -ATHAS 实验值 0.627 1.077 0.105 0. 112 1. 255 0. 549 0.002 0.002 0.688 - 0.134 0. 668 1.939 0.022 -0. 036 0. 813 1.156 0.163 0.120WOSUB 1.111 0.083 1.524 0. 018 1. 123 0. 107 1. 781 0. 020 1.276 0.089COBRA 3E1 0.869 0.126 1.158 0.016 1.503 0.012 1.492 0.075ATHAS 1. 105 0.077 1. 177 0. 016 1.301 0.167 0. 079 1. 494 0 035 1. 608 0.060wOSUB 实验值 1.085 1. 298 0. 160 0.088 1.523 1. 275 0. 075 0.030 1.246 1. 051 0. 159 2. 080 1. 693 0.034 0 034 1.280 1. 207 0.191 0. 227COBRA 3E2 0.852 0 198 1. 332 0. 039 1.161 0.163 1. 652 0.044 1 410 0.152ATHAS 1.121 0. 121 1. 242 0 040 1. 292 0. 152 1. 408 0. 056 1. 590 0. 149
分析表中数据可得实验结论：（1）对于含气率，热中心通道>热边通道>热角通道>冷角通道>冷边通道，（2）对于质量流速，冷边通道>冷角通道>热中心通道>热边通道>热角通道，
3 结论
本文利用子通道程序ATHAS对GE3X3组件进行稳态计算，并将ATHAS的预测值与 实验测量值及其他子通道程序的预测值进行了对比分析，结果表明.
ATHAS预测结论：（1）对于含气率，热边通通道，（2）对于质量流速，在3E1和3E2工况下，>热角通道；在3D1工况下，热中心通道>热边 通道>冷边通道>热角通道>冷角通道.
（1）在绝热流动实验中，ATHAS能正确预测各子通道出口的质量流速，说明ATHAS的流量分配模型和单相交混模型是有效的：
（2）在均匀加热实验中，ATHAS在低含气率工况和高质量流速下的角通道预测误差较大，说明ATHAS的传热模型和蒸汽扩散模型需要进一步的改进和验证；
抛开实验的测量误差面言，ATHAS对含气率的预测和实验结果符合较好，差别之处在于ATHAS预测热边通道的含气率最高，相 比之下，ATHAS对质量流速的预测结果较差，尤其在低质量流速低含气率工况下，ATHAS需谨慎使用.值得指出，ATHAS预测出现偏差的地方.WOSUB和COBRA-IV也出现了类似的问题.
（3）在非均匀加热实验中，ATHAS对含气率的预测和实验结果符合较好，对质量流速的预测结果较差，尤其在低质量流速低含气率工况下，ATHAS需谨慎使用.
WOSUB和COBRA-IV电出现了类似的问题. 值得指出，ATHAS预测出现偏差的地方，这说明各子通道程序的两相交混模型仍需进一步改进.增加蒸汽扩散模型后的WOSUB预供参考和借鉴. 测精度较高，这将为其他子通道程序的改进提
这说明漂移流模型对两相流动传热的模拟与实验结果存在偏差，在完善相对速度及气泡扩散求解的同时，分别对气液相写出质量、能量和动量守恒方程的两流体模型能够给出更加准确的结果，这也是子通道程序的物理模型改进 的方向.
本文对ATHAS进行稳态验证的思路和
