[0001] 本实用新型涉及反应堆热工水力技术领域，具体地，涉及一种燃料组件及应用燃料组件的结构化网格划分系统。

[0002] 核燃料是核动力装置最重要的部件，核燃料的热工水力分析对反应堆的安全性和经济型具有重要意义。螺旋十字型燃料棒是一种新型的先进核燃料，即将被新一代的反应堆采用。螺旋十字型燃料棒具有自支撑和自交混的特性，燃料棒束不需要定位格架来固定。同时，当冷却剂经过燃料棒外部的螺旋形肋片将形成旋流流动，促进子通道之间的交混。与定位格架的搅浑翼相比，螺旋十字型燃料棒肋片形成的旋流不会衰减。目前，关于螺旋燃料的旋流流动特征、传热强化机理、燃料肿胀特性等的研究报告还比较少。上述关键性问题对螺旋十字型燃料组件的开发和应用具有重要意义。

[0003] 目前，CFD模拟分析是获得棒束组件内流场信息的一种重要方法。在进行CFD 数值模拟之前，首先要根据研究目标来建立几何模型并划分网格。堆芯燃料棒束处于高温高压环境，棒束通道内湍流流动具有强烈的各向异性特征。由于棒束通道的纵向长度一般在4‑5米，因此，关于棒束通道的CFD分析往往计算量庞大。结构化网格数量更少并且网格质量更高。根据棒束相关的计算实例，采用结构化网格进行 CFD计算时，计算结果往往更容易收敛。综上所述，对棒束通道建立合理的结构化体网格对后续的CFD模拟分析具有重要意义。

[0004] 经过检索，专利文献CN104952492B公开了一种载钆燃料棒及具有载钆燃料棒的燃料组件及压水堆堆芯，载钆燃料棒的燃料芯体由回收铀氧化物和Gd2O3构成， Gd2O3的质量分数为3％～5％，回收铀氧化物的质量分数为95％～97％。具有载钆燃料棒的燃料组件，包括燃料棒、导向管、仪表管，燃料棒、导向管、仪表管排列成方形结构，仪表管排布在燃料组件中心；燃料棒包括不含钆燃料棒和前述载钆燃料棒。压水堆堆芯采用前述具有载钆燃料棒的燃料组件协助控制堆芯剩余反应性。该现有技术是带有导向管的燃料棒，在进行网格划分过程中会生成很多网格，进一步会造成后续的数值计算过程计算量庞大或者不收敛的情况。

[0005] 因此，有必要提出一种能够增加生成结构化体网格划分的难度，从而使后续采用结构化网格进行CFD计算时，计算结果往往更容易收敛的几何特征的燃料棒。实用新型内容

[0006] 针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种燃料组件及应用燃料组件的结构化网格划分系统，本实用新型在网格划分过程中，在保证网格质量的前提下，尽可能地减少了网格数量，避免造成后续的数值计算过程计算量庞大或不收敛的情况，相较于非结构化网格，网格数量减少了接近70％。

[0007] 根据本实用新型提供的一种燃料组件，包括：燃料棒束；燃料棒束的横截面呈十字型，燃料棒束绕轴向呈扭转结构，燃料棒束内流体流动呈各向异性；燃料棒束设置有多个。

[0008] 优选地，燃料棒束包括弧形肋片、肘部和延长段，弧形肋片呈对称设置形成燃料棒的凸起，弧形肋片两端通过延长段与肘部平滑连接。

[0009] 优选地，燃料棒束还包括棒中心和棒间距，燃料棒束之间的棒中心之间的距离为棒间距。

[0010] 优选地，还包括棒间隙，燃料棒束之间存在棒间隙。

[0011] 根据本实用新型提供的一种应用燃料组件的结构化网格划分系统，包含上述的燃料组件，包括棒束区域、第一流道区域和第二流道区域；燃料棒束内形成棒束区域；燃料棒束与第一流道区域沿燃料棒束轴线旋转组合形成圆柱形；第二流道区域内有多个镂空圆柱区域。

[0012] 优选地，第一流道区域为棒束区域外部与棒束区域的外切圆之间的部分。

[0013] 优选地，第二流道区域为棒束区域的外切圆以外的部分。

[0014] 与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

[0015] 1、本实用新型通过采用燃料棒束的结构比较狭长，使得在网格划分过程中，在保证网格质量的前提下，尽可能地减少了网格数量，否则会造成后续的数值计算过程计算量庞大或不收敛的情况。

[0016] 2、本实用新型结合燃料棒束之间存在点接触，控制节点无法直接嵌入接触点，无法生成网格的特性，通过在燃料棒束之间设置棒间隙，消除点接触，使网格可以嵌入点接触区域，使得燃料棒束内流体流动呈各向异性，并且会使得计算结构更容易收敛、更准确。

[0017] 3、本实用新型通过先生成横截面网格，再扭转拉伸生成体网格，不用轴向位置的网格节点对应，使数值计算更好的收敛。

[0018] 4、本实用新型通过对燃料组件进行六面体网格划分，网格质量较高并且网格数量更少，减少了棒束组件数值模拟的计算量。

[0019] 5、本实用新型针对燃料组件的六面体网格划分，能够均匀地嵌入棒间隙，还原了螺旋十字型燃料组件的几何特征。

[0020] 6、本实用新型能够根据实际的计算条件，灵活地调整网格的节点数量和分布方式。

[0028] 下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

[0029] 如图2所示，本实用新型提供了一种燃料组件，包括：燃料棒束；燃料棒束的横截面呈十字型，燃料棒束绕轴向呈扭转结构，燃料棒束内流体流动呈各向异性；燃料棒束设置有多个。

[0030] 其中，燃料棒束包括弧形肋片1、肘部2、延长段3、棒中心4、棒间隙5和棒间距 6，弧形肋片1呈对称设置形成燃料棒的凸起，弧形肋片1两端通过延长段3与肘部2 平滑连接。燃料棒束之间的棒中心4之间的距离为棒间距6。燃料棒束之间存在棒间隙5。

[0031] 如图3至图6所示，本实用新型还提供了一种应用燃料组件的结构化网格划分系统，包含上述的燃料组件，包括棒束区域7、第一流道区域8和第二流道区域9；燃料棒束内形成棒束区域7；燃料棒束与第一流道区域8沿燃料棒束轴线旋转组合形成圆柱形；第二流道区域9内有多个镂空圆柱区域。第一流道区域8为棒束区域7外部与棒束区域7的外切圆之间的部分。第二流道区域9为棒束区域7的外切圆以外的部分。

[0032] 如图1至图6所示，本实用新型的划分流程如下：

[0033] 步骤S1：根据燃料组件的横截面建立二维几何模型。

[0034] 步骤S2：将二维横截面划分为棒束区域7、第一流道区域8和第二流道区域9。

[0035] 步骤S3：分别针对棒束区域7、第一流道区域8和第二流道区域9建立二维拓扑结构，根据数值计算的精度要求对近壁面区域第一层网格到壁面的距离和网格长宽比进行调整。

[0036] 近壁面区域第一层网格到壁面的距离Δs：

[0037]

[0038] 其中，μ为流体粘度；ρ为流体密度；τ为壁面剪切力；y+为无量纲壁面距离。采用标+ +准壁面函数时，要求30＜y＜100；采用加强型壁面函数时要求y≈1。

[0039] 网格长宽比：六面体面网格正交的两条边之比，要求长宽比在40以内。

[0040] 针对棒束区域7、第一流道区域8和第二流道区域9分别建立二维拓扑结构，采用O型剖分方式进行网格划分，在网格节点的设置过程中，保持棒束区域7和第一流道区域8的边界节点一一对应。

[0041] 步骤S4：根据二维拓扑结构生成二维结构化网络；

[0042] 步骤S5：将棒束区域7和第一流道区域8的二维结构化网格沿着燃料棒束轴线进行旋转拉伸，将第二流道区域9的二维结构化网格沿着燃料棒束组件轴线进行垂直拉伸。螺旋节距L是螺旋十字型燃料棒横截面每扭转360°所对应的长度，螺旋节距 L通过步骤S5中的网格旋转拉伸的参数设置决定，燃料棒束的节距L的计算公式如下：

[0043]

[0044] 其中，n为每一层网格的旋转角度，Δh为每一层网格的高度。

[0045] 步骤S6：将棒束区域7、第一流道区域8和第二流道区域9拉伸之后共生成3 组体网格，获得完整的燃料组件体网格。

[0046] 本实用新型的优选例，作进一步说明。

[0047] 基于上述基础实施例，本实用新型中的燃料棒束采用螺旋十字型燃料棒束，螺旋十字型燃料棒束的特殊几何结构，燃料棒绕棒轴线旋转，造成棒束组件横截面呈周期性变化。对于这种复杂的几何结构多采用非结构化网格划分，非结构化网格的空间填充率低，造成网格数量远大于结构化网格，这将增加数值计算的计算量。同时，由于螺旋十字型燃料组件的棒间隙较小，采用结构化网格无法准确还原几何结构，使得数值计算结果偏离实际值。本实用新型提供的适用于螺旋十字型燃料棒束的结构化网格划分方法，能较好地还原螺旋十字型燃料棒束的几何特征，相较于非结构化网格，网格数量减少了接近 70％。

[0048] 本实用新型以2×2螺旋十字型燃料棒束组件为例，螺旋形十字型燃料棒包括螺旋十字型燃料棒弧形肋片1、肘部2和延长段3，在划分网格前需要建立二维几何模型，需要标记的参数包括：弧形肋片的半径、肘部的半径、延长段的长度、棒间隙、棒间距、燃料棒束的数量及其排布方式。将二维几何模型划分为三个区域：棒束区域7，第一流道区域8和第二流道区域9。分别对这三部分区域建立二维拓扑结构并采用O型中心剖分。对拓扑结构进行节点设置后，生成二维网格。将二维网格沿棒束通道的轴线进行拉伸，从而生成对应的体网格。对于棒束区域7和第一流道区域8进行旋转拉伸；对于第二流道区域9进行垂直拉伸。调整每层网格的旋转角，从而改变螺旋十字型燃料棒的节距L。将三部分的体网格进行组合并设置交界面，获得最终的体网格。

[0049] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0050] 以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。