relap5英文手册阅读笔记.docx

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2基本规则

Relap5是专门计算单相或两相流动系统的程序之一。

在选择一种计算程序之前，要考虑该程序是否有能力处理和分析要解决的问题，对计算机有什么特殊要求，是否经济，以及怎样更好地使用该程序。

relap5的功能

Relap5用于轻水热工水力系统。

最初是为了计算压水堆破口失水事故而编写的，经过不断地发展，现在可用于计算许多热工水力系统的瞬态过程。

如：

破口失水事故、运行瞬态。

可用于生产堆、实验堆和反应堆模拟器。

还可以用于沸水堆。

Relap5用六个非平衡、非均匀的方程模拟两流体系统。

同时可模拟有硼和不凝气体存在的情况。

中子动力学用点堆动力学方程。

联合场方程和点堆方程可模拟反馈效应。

可以模拟板材和流体间的传热过程。

控制系统可以模拟设备的控制器，部件模型可以模拟核电厂配套设备（如汽轮机、泵、冷凝器等）。

2.1.2relap5主要用于计算运行和事故瞬态中流体的行为特性。

计算出的流体瞬态压力原则上可用于部件的结构载荷分析（如：

水锤、汽锤），还可以计算声波（压力波）在管道和设备内的传播。

但relap5很少用于结构分析，因此，要谨慎对待计算结果，并且尽量避免把relap5应用于这些场合，因为relap5不是计算上述问题的最佳程序。

2.2热工水力分析的描述

用relap5解决问题的基本步骤：

（1）收集和整理描述边界条件和初始条件的详细信息。

有些信息需要由专门的部门和机构提供。

（2）详细描述问题并将问题节点化。

需要成立专门小组来评价模型的合理性。

（3）输入问题。

将初始条件和边界条件输入到一个计算机文件中。

（4）检查对问题的描述和输入。

检查初始信息的来源是否合理，导出量的计算是否，对模型的简化是否合理。

（5）运行程序，分析计算结果。

2.2.1收集和整理信息

Relap5的输入信息可分为四个方面：

水力学、热构件、控制系统、中子动力学。

水力学信息包括：

（1）流动面积

（2）流动长度（3）竖直取向（4）足以计算水力直径的几何条件（5）壁面粗糙度（6）计算流动损失的信息。

例如：

弯管几何形状、面积突扩形状、阀的几何形状、阀的额定流量、设备启动试验数据等。

（7）设备初始条件（8）泵的参数

热构件信息包括：

（1）材料的厚度

（2）材料的质量（3）管长（4）内外径（5）材料类型（6）材料的热物性随温度的变化规律。

如：

热导率、密度、比热等。

（7）加热功率（如有热源项）（8）热源分布（9）初始温度分布

控制系统信息包括：

（1）控制系统方块图

（2）控制系统与被控对象的关系（3）控制器特征（4）滤波器特征（5）设定值（6）增益（7）饱和限（8）滞后（9）被控设备特性（10）阀的行程速度（11）最大（最小）泵的转速（12）最大（最小）循环速度

中子动力学信息包括：

（1）初始反应性

（2）照射数据（3）缓发中子份额（4）裂变产物产额（5）锕系元素产额（6）反应性特征

2.2.2详细描述问题并将问题节点化

将需要建立模型的系统隔离开来，明确其边界。

系统的模型由若干控制体（节点）组成。

建立各个控制体的过程就是将问题节点化的过程。

建好的模型应由其他人检查以确保其正确性。

2.2.2.1确定系统边界

2.2.2.2将模型节点化

将模型划分为若干控制体，这些控制体主要是一些有入口接点和出口接点的流管。

控制体由接管（junction）连接。

程序计算控制体中心的平均流动特性和接点处的流动矢量特性。

节点的尺寸受计算数值稳定性、运行时间、空间收敛性的影响。

一般说来在结果满足空间收敛性的前提下节点的尺寸越大越好。

因为节点的尺寸直接影响运行时间；节点越小，最大时间步长越小，这是为了保证数值稳定性。

模型中除了流管外，还有一些静止的构件，这些构件可以储存热量，有的甚至还含有内热源。

程序可以模拟这些构件与流体之间的一维热传递。

模型节点的划分非常重要，因此在考虑到所研究问题的特殊性的情况下要充分借鉴前人的研究成果。

结果应由检查人员认真检查。

划分节点的过程与计算模型各部分参数的过程同步。

因此节点划分完成后，模型各部分的参数也就已知了。

2.2.3获得边界条件和初始条件

2.2.3.1输入数据

程序可以检查输入错误，但不能仅依靠程序本身去检查，因为许多输入是程序无法检查的。

程序能够检查模型环路的高度是否封闭，即组成环路的各个部件的高度变化之和是否为零。

如果不为零，将会自动加上一个虚拟的泵，泵的压头等于环路高度不封闭而产生的静压差。

通过程序的初始化来检查这种不匹配。

2.2.3.2系统的稳态

系统的稳态计算非常重要，它是瞬态计算的基础。

模型的稳态被设定为实际系统的初始工况。

程序含有“稳态”选项，它使系统通过减少材料热容的方式很快达到设定的稳态点。

运行程序时可能出现的问题：

（1）出现不能被解释的错误。

例如结果提示某个节点的压力或温度不符合实际或程序不收敛（converge）。

这些问题有事可通过减小最大时间步长为几个时间步长来解决。

（2）结果不趋同（convergent）。

计算结果与前人的结果不同。

2.2.4.2解释结果

目的：

（1）检查程序是否收敛；

（2）检查是否存在非自然规律（nonphysical）的结果。

（3）检查结果是否符合常理。

（4）结果的每一个部分应该都能得到合理的解释。

2.3relap5的基本建模元件

实际系统有管道、阀门、泵和其他设备组成，类似地，relap5模型也是如此。

Relap5的基本建模块可分为四类：

热工水力、热构件、trips和控制变量。

热工水力部件用于模拟流体通道和流体处理设备。

热构件用于模拟材料块和材料块与流体之间的相互作用。

Trips用于模拟各种设备的触发信号（如在特定时间开启泵；阀门在压力高于某一值时打开，低于某一值时关闭等）。

控制变量用于模拟控制系统（如比例、积分、微分控制器；超前、滞后控制器）和集总节点（lumped-node）系统。

热工水力建模块：

单一控制体：

代表一部分流管。

管型（环型）：

代表一段管道。

内部可以有1到100个控制体，内部控制体由内部接管相连。

环型：

一种特殊的管型，特点与管型相同，专门用于模拟环形流动通道。

分支：

代表流管的接合处。

最多可规定10个接管。

分离器：

特殊的分支。

用于模拟蒸汽发生器中的汽水分离器。

混合喷射器：

特殊的分支。

用于模拟喷射泵。

透平：

特殊的分支。

用于模拟汽轮机。

ECCMIX：

单一接管：

用于连接两个部件。

时间相关控制体：

用于指定系统模型的边界条件。

时间相关接管：

连接两个部件，同时指定接管边界条件。

阀：

一种特殊的接管部件。

用于模拟六种阀。

即：

制止阀、触发阀、惯性阀、马达阀、伺服阀、释放阀。

泵：

用于模拟离心泵。

蓄压箱：

用于模拟压水堆的蓄压箱，包括容器和管线。

控制变量建模块：

和差：

对变量进行加减运算。

乘：

对变量进行乘法运算。

除：

对变量进行除法运算。

求导：

变量对时间求导。

积分：

变量对时间积分。

函数：

对变量定义一个表格函数关系。

标准函数：

对指定的变量进行以下运算（绝对值、平方根、指数、自然对数、正弦、余弦、正切、反正切、最小值、最大值）

延迟：

代表指定变量的时间延迟因子。

单位trip：

在指定时刻为真。

也可以定义为互补函数。

整数次幂：

求变量的某一整数次幂。

实数次幂：

求变量的某一实数次幂。

变量次幂：

求变量的某一变量次幂。

比例积分：

定义一个比例积分控制器。

滞后：

定义一个滞后控制器。

超前滞后：

定义一个超前滞后控制器。

常量：

定义一个和其他控制变量一起使用的常量。

轴：

定义与发电机连接的轴的特性。

泵控制：

定义一个泵控制器（主要用于稳态分析）。

蒸汽控制：

定义一个蒸汽流动控制器（主要用于稳态分析）。

给水控制：

定义一个给水流动控制器（主要用于稳态分析）。

2.3.1热工水力组

2.3.2热构件

热构件用于模拟系统的结构材料。

如外部包有隔热层内部镀有不锈钢的铸铁管道。

也可以模拟由内热源的构件，如核燃料和电加热元件。

热构件的内部可以在一个方向上划分节点，以求得内部的温度分布。

程序默认热传递方向与流动方向正交（垂直）。

2.3.3trips和控制变量

Trip可以在瞬态计算时指定动作。

与控制变量共同使用时可以大大扩展程序的功能。

Trip可用于以下部分：

时间相关控制体、时间相关接管、泵部件、阀部件、分支、蓄压箱还有描述反应堆动力学特性、热构件特性的表格。

控制变量的作用可归结为三点：

（1）模拟设备的控制系统

（2）构造集总节点参数（3）增加热工水力系统和热构件的边界条件的维数。

2.3.3.1模拟设备的控制系统

2.3.3.2模拟集总节点系统

2.3.3.3增强模型的边界条件

2.4relap5基本建模指南

2.4.2模拟系统的热构件

2.4.3trip和控制变量

变量trip前加负号表示“非”。

3总体规则

3.1标准步骤

标准步骤包括：

输入准备，调试模型的输入，执行问题，输出解释。

3.1.1输入准备

模型记录和质量保证

要准备一个工作簿。

其中记录建模的所有信息，包括参考资料、基本假设、计算数据等。

包括最后的总的节点图。

节点的编号要有规律。

比如一个三回路的压水堆的第一个回路可以用100-199编号，二回路用200-299编号，三回路用300-399编号。

并且要注意标号的对称性，例如120、220、320代表不同回路的同一部件。

以上措施均有助于检查错误。

部件号共9位，结构为XXXCC0000。

XXX为部件号，100-999，应避免使用1到99为部件号，这样可能会导致错误。

CC为部件的内部元件号。

0000为尾部零，尾部零是为了提供一种定义多维部件的方式，尽管多维部件到目前为止还没有被加入到程序中。

工作簿的工作表中记录所有输入信息，记录顺序应与输入顺序形同。

对任意一个部件，记录顺序为水力学数据，热构件数据，控制变量数据。

对任一部件，工作簿的记录为

（1）建模数据来源（例如图形、报告等）

（2）假设（3）对原始数据的计算步骤（4）最终要输入的参数的值。

工作簿中的信息直接用于输入计算机文件来建模，输入后将计算机文件与工作簿对照已以检查是否有错。

输入后由另外的人员对整个模型的检查对保证模型的正确性是非常重要的，虽然检查过程非常枯燥和乏味。

检查者应认识到这项工作的重要性，并有积极的态度。

3.1.1.2输入卡的安排

每行数据的开头必须有一个卡号，其后是数据列，数据之间用一个或几个空格分隔。

如果一个卡号被重复，程序将把它作为代替卡，并用最后一个卡的信息。

一个完整的输入应包含注释信息。

注释信息在*或$之后，系统自动把星号和美元符之后的内容当做注释内容。

推荐的输入顺序为：

题目，工作控制，时间步长控制，小编辑要求，trip说明，水力学部件，热构件，输入的数据表，控制变量，反应堆动力学说明。

一般应按照卡号由小到大的顺序输入。

3.1.1.3规则

热构件号和控制变量号最好与相关的水力学控制体的部件号相同。

系统正常运行时，接管的方向最好与流动方向相同。

程序默认的热传递方向：

由构件到流体为正，由流体到构件为负。

例如，蒸汽发生器传热管的一次侧的热传递方向为负，二次侧为正。

建议将热构件的左表面作为内侧，右表面作为外侧。

3.1.2模型输入调试

通常一个模型会产生一些错误，有的错误还会进一步引起其他错误。

因此显示的错误信息一般要多于实际的错误数。

一些错误让人难以理解。

比较有效的方法是先改正一些比较明显的错误，然后再次运行程序。

错误信息的前面有8个星号“********”。

因此，使用者应尽量避免使用一串星号来分隔输入文件。

所有错误移除后显示“inputprocessingcompletedsuccessfully.”

检错过程实际上分为几个阶段。

有些情况下，检查到某种错误后检查过程会自动停止，此时显示的错误是已检查过的部分出现的错误，直至这些错误被移除后检错过程才能继续，新的错误会继续被发现。

因此，有时，错误并不是一直减少的。

检错过程包括检查环路的高度是否封闭，如果系统任一个环路的高度差大于0.0001米，将会显示错误信息。

有一个虚假的错误曾被碰到过。

在输入处理结束后显示程序执行错误，算法错误或算法溢出。

这通常是因为错误的对不凝气体进行说明造成的。

使用者在初始条件控制字中指定了不正确的值。

控制字的4、5、6字是留给有不凝气体存在的情况，如果使用了这些字而在110卡中有没有指定不凝气体，就会出现错误。

3.1.3执行问题

如果代码成功通过输入处理阶段（所有错误都被移除），将会生成初始时间编辑。

如果选择“RUN”，程序接着从指定的初始状况开始执行。

对NEW问题，初始时间是0时刻，对restart问题，初始时间为重新编辑时间。

3.1.3.1时间步长与编辑选择

问题的执行受201-299时间步长控制卡的控制。

每一个时间间隔都有一个最小时间步长和一个最大时间步长。

程序按最大时间步长开始执行，时间步长根据一些测试自动减小。

材料的库兰特限制不能被违背。

在每一个计算元件，质量、流体特性和推断的错误将被监测，如果错误超出了内部预先设定的限制，时间步长将会减小。

大编辑输出表明准则和模型区域造成时间步长的减小。

时间步长通过不断被2除的方式减小，直至错误达到可以接受的限制范围内，或者达到最小时间步长，或者遇到错误。

好像开始就设定一个较小的最大时间步长对计算是有利的。

不可能推荐一个通用的最大或最小时间步长，时间步长的设定要根据模型的特点，要解决的问题和一些时间步长对计算的影响的研究来完成。

但一个非正式的建议是：

最小时间步长用1×10-7秒，最大时间步长用库兰特限制（但不要大于0.2秒）。

时间步长控制中ssdtt通常设定为00003（或3）。

小编辑频率、大编辑频率和重新启动编辑频率也在时间步长控制中设定。

这些值是最大时间步长的整数乘子。

例如，最大时间步长为0.1秒，小编辑频率为10，大编辑频率为100，重新启动编辑频率为200。

则程序每1秒生成一个小编辑，每10秒生成一个大编辑，每20秒生成一个重新启动编辑。

小编辑频率的选择非常重要，因为他代表了输出文件数据点的频率，这些点之间的数据点将不能得到。

所有计算数据（如压力、温度、空泡份额、流速等）都可以在输出文件中得到，但并不是所有的计算数据都要在小编辑要求中指定，小编辑要求中指定的只是打印输出的参数。

3.1.3.2稳态、瞬态、strip方式

计算方式在100卡中设置。

在稳态计算中，为了减少运行时间，所有热构件的热容被人为的减小。

当内部测试到参数的变化率已很小时，计算停止。

一般情况下，稳态方式不推荐使用。

实际上，稳态计算通过在瞬态计算模式下控制边界条件的方式进行。

通过这种方式，再人为的减少热容，可以得到满意的稳态计算。

在瞬态计算前，再把热容恢复到实际值即可。

Strip模式用于在已有的计算结果中提取特定的数据通道。

引起瞬态执行失败的一个常见原因是指定的初始条件和边界条件不合适。

例如，一个冷却剂丧失事故的瞬态计算是从计算好的稳态状况开始的，计算刚开始就遇到失败。

此时应该检查初始条件和边界条件是否合适。

如果没问题，下一步就要减小最大时间步长。

瞬态执行通常以下列三种方式结束：

（1）问题时间达到在201-299卡中设定的结束时间。

（2）花费的计算机时间达到在105卡中指定的限制。

（3）被trip终止，正如在600卡中指定的一样。

因此，使用者可以通过问题时间、计算机时间和计算过程中的事件（如压力超过限定值）灵活地结束计算。

使用者确保以以上三种方式之一正常结束计算是很重要的，否则会出现不正常的结束，所有计算数据都可能丢失。

3.1.4输出

有两种形式的计算结果输出：

打印输出、重新启动/图表输出。

3.1.4.1打印输出

输出文件的开头是输入数据列表，然后是输入处理过程。

输入处理中会再次出现输入数据，这些数据是程序真正引用的数据。

如果出现重复的卡号，用最后一个卡上的数据。

输出文件中包含初始大编辑，接着是使用者要求的大编辑和程序生成的大编辑。

使用者在301-399卡中要求的小编辑分散在大编辑中间。

另外还有警告信息，里面包含一些不重要的计算困难。

再启动编辑由再启动号标出，在大编辑数据之后。

以下是一个大编辑输出的例子：

1tot代表初始大编辑，edit代表上一个大编辑；程序以最大时间步长（要求时间步长）计算，计算过程中时间步长没有减小，5×10-3秒。

库兰特限制为6.39×10-2秒，花费的cpu时间为68.6655秒，质量减少为-0.207kg,总质量为514348kg质量误差为10-7数量级。

2这个区域显示所有trip的当前状态，-1代表为假。

正值代表为真。

所显示的正值为该trip最后一次由假变为真的时刻。

3该区域显示所有水力学控制体的当前状态。

分3A、3B、3C、3D四个区域。

控制体号在左边缘显示。

3A中显示的是流体的状态。

3B中，rho-mix为两相混合物的密度。

Mixingcupquality为热力学含气率staticquality为截面含气率noncondensablequality为不凝气体份额。

3C中显示控制体输运状况和特性。

是热构件输入到控制体流体的总热流量（W），第二列是热构件输入到蒸汽中的热流量，二者相差一个输入到液体中的热流量。

vapor-gen水蒸气的产生速率。

水蒸气产生总速率是相间质量交换产生率与壁面沸腾产生率之和。

wall-flashing代表壁面沸腾蒸汽产生率。

上述二者之差为相间质量交换率。

liquid-andvapor-sideheattransfercoefficients液相气相传热系数。

相间传热假设相间界面是饱和的。

接下来控制体质量流量，各相的雷诺数，流型。

bby=bubbly（泡状流）,hst=horizontalstratified（水平分层流）,anm=annular

mist（环状雾状流）,slg=slug（弹状流）,ian=invertedannular（反向环状流）,isl=invertedslug（反向弹状流）,actb=churnturbulent（搅浑流）。

3D中带有reduce-列表示控制体导致时间步长减小。

44A该区域显示水力学接管的状态。

接管的面积可能随时间变化（阀接管）。

接管真实的面积等于接管面积与喉部比例的乘积。

最后三列分别表示最后一个时间步长、最后一次大编辑和从开始计算到现在接管是否出现壅塞现象，0表示没有出现，1表示出现一个壅塞现象。

4B开始两列为接管内的液相和气相份额。

以“f”开头的表示接管的摩擦压降；“fij”表示相间拖拽。

“fwalfj”“fwalgj”表示作用在液相和气相的壁面拖拽。

壁面拖拽指的是通过接管相连的两个相邻控制体的中心之间的流体。

“fjunf”和“fjunr”表示用输入的流动损失系数计算的流动损失。

“formfj”和“formgj”表示程序计算的流动损失（如面积突然变化引起的损失）。

5显示热构件的当前状态。

5A实际是临界热流密度可能不会打印出来。

如果没有出现沸腾，则临界热流密度不被计算，打印，例如单相强迫对流。

下一列显示使用者指定的临界热流密度乘子。

下一列是热传递方式号。

Source表示内热源。

“conv+rad-source”表示热构件的总的热平衡。

最后一列表示热构件的体积平均温度。

5B显示当前热构件的节点温度。

第一列表示左边界温度，最后一列表示右边界温度，

6显示所有控制变量的当前值。

控制变量号、变量名、变量类型、变量的当前值。

7如果这个大编辑也是再启动编辑，则会打印出这个区域。

再启动号是103卡中所要求的。

blocknumber没有被用到。

3.1.4.2再启动/绘图文件

绘图点频率（小编辑频率）应随着问题的进行而改变。

当参数变化较快时应采用较大频率，到达静态状态时可使用较小的频率。

使用多重重新启动来完成计算。

例如一个问题运行时间0-10秒。

如果在10秒前也计算结束，接着就要重新运行（比如从10秒到30秒），以此类推。

Relap5允许在重新启动点改动模型，改动后的模型从该重新启动点开始往后一直生效，除非在此后的另一个再启动点再次改动模型。

3.2计算节点和网孔的大小

以下介绍如何选择水力学元件的节点大小和热构件的网孔大小。

从经济角度讲，水力学元件数和热构件数应尽可能少，因为计算机的运行时间几乎完全取决于模型的水力学元件数。

热构件数也随水力学元件数的增加而增加。

因此，减少水力学元件数对计算的经济性非常有利。

此外，减少热构件内部的网孔数也有利于提高计算的经济性。

但减少模型的trip数和控制变量数对模型的经济性贡献非常小。

较小的水力学元件尺寸会减小时间步长，因为时间步长受库兰特限制的约束。

但减小模型的元件数目（即增大元件的尺寸）要考虑到一些重要的现象不被遗漏。

例如，大破口和小破口的现象有很大不同，因此，两种模型也有很大不同。

3.2.1水力学元件的大小

通常在模型的产生重要现象的区域（如反应堆压力容器、稳压器、蒸汽发生器）采用较小的节点尺寸。

在一些不太重要的区域（如主蒸汽管线、给水序列）采用较大的节点尺寸。

考虑到协调好小元件和大元件之间的过渡，相邻的控制体的尺寸变化不应超过某一限制。

3.2.2热构件网孔的大小

由于燃料元件气隙的比热较小，为了避免计算上的困难，通常在气隙内部不设置节点。

3.3通用选项的选择

所谓通用选项，是指对所用部件来说都是相同的选项。

主要有：

控制体选项、接管选项、初始条件和边界条件。

3.3.1控制体相关选项

控制体相关选项通过控制体控制标识tlpvbfe来设定。

一般推荐的输入是省缺形式，即0000000。

t标识指出热分层模型是否使用。

热分层模型只在竖直容器且内部不同层的流体温度相差分明（热流体在上冷流体在下）时才使用。

l标识指出level模型是否使用。

Level模型只用在level相差分明的竖直管道或容器中（蒸汽在上水在下）。

p标识指出是否使用水程序包，一般情况下使用。

只有在因重复的水程序包造成计算困难时才不用。

对TMDPVOL,SEPARATR,JETMIXER,TURBINE,PUMP,andACCUM部件，此标识不用，且必须输入0。

v标识指出是否应用竖直分层模型。

一般使用。

只有在不需要竖直分层行为时才不使用。

对TMDPVOL,SEPARATR,JETMIXER,ECCMIX,TURBINE,PUMP,andACCUM部件,此标志不用，且必须输入0。

b标识指出相间摩擦模型。

一般使用管内相间摩擦模型。

在有棒束结构的部分（如蒸汽发生器二次侧、堆芯）使用棒束相间摩察模型。

SEPARATR,JETMIXER,ECCMIX,TURBINE,PUMP,andACCUM不使用此标志，必须输入0。

f标识指出是否计算壁面摩察。

一般要计算。

只有在一些不需要考虑壁面摩察的场合才不计算。

对SEPARATRandPUMP部件，不管使用者设定值是多少，此标识自动置为1（不计算壁面摩察）。

e标识指定是否使用相平衡选项。

不平衡指液相和气相温度不相等。

平衡指两相温度相等。

通常选定为不平衡态。

对ACCUM部件，此标识必须为0。

3.3.2接管相关选项

接管相关选项在接管控制标识efvcahs中设定，但时间相关接管没有此控制标识。

e标识指定是否使用能量修正选项。

0不使用，1使用。

1适用于以下场合：

大的扩张段；核岛内同时包含主回路和一些低压系统（如反应堆安全壳系统）的模型。

f