运动条件下液态金属铅铋在回路系统中流动传热特性计算方法

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力计算技术领域，具体涉及一种运动条件下液态金属铅铋在回路系统中流动传热特性计算方法。

背景技术

海洋中不仅有丰富的水资源还有大量的化学资源，加强对海水资源的开发，是解决淡水危机和资源短缺问题的重要措施，是实现国民经济可持续发展战略的重要保证。同时，为海洋动力平台提供高效的能源对保障我国的海洋资源开发具有重大意义。核能作为清洁、高效的能源，是海洋资源开发动力装置的理想能源选择。液态金属铅铋冷却反应堆具有固有安全性高，自然循环能力强和瞬态响应能力快速等优点，在海洋工程等特殊用途上具有良好的应用前景。

与陆地动力装置不同，海洋动力装置长期在海洋环境中工作，会受到海洋风浪的作用，产生摇摆、起伏、倾斜等六个自由度的运动。这些海洋运动会对流体产生附加作用力，改变冷却剂的流动和传热特性，同时，海洋条件会改变系统的空间位置，使冷热源的高度差发生变化，影响系统自然循环能力。这会给海洋核动力装置的安全运行产生不利影响，因此开展对运动条件下的液态金属铅铋在回路系统中流动传热特性的研究是十分有必要的。同时，在进行全尺寸实验耗费成本较高的前提下，使用计算流体力学来进行相关研究是更有效更经济的手段。目前已有的方法大多关注的冷却剂是水，虽然能对运动条件下铅铋流动传热特性做一定的参考，但是由于水和液态铅铋的差异较大，因此其参考价值有限。另外已有的方法是依靠附加动量源项来实现运动条件，这种方法有一定的理论支撑，但与滑移网格相比，在实际运动的复原上会有一定的差别。使用计算流体力学手段基于滑移网格的方法对运动条件下液态金属铅铋在回路系统中流动传热特性进行计算，可以更大程度地模拟海洋风浪引起的各种运动形式，并对运动条件下的核动力装置的设计与性能优化以及未来发展具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种运动条件下液态金属铅铋在回路系统中流动传热特性计算方法，该方法能够运用计算流体力学手段对处在横摇运动、起伏运动以及倾斜状态下的液态金属铅铋回路系统中的流动与传热特性进行计算。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

运动条件下液态金属铅铋在回路系统中流动传热特性计算方法，该方法为基于滑移网格的模拟运动条件的计算方法，具有方便操作，计算准确的优点；

包括以下步骤：

步骤1：建立铅铋回路系统计算域原型模型，包括试验段管道、预热段管道、泵模块管道、换热段管道以及绝热段管道几何模型，具体步骤如下：

步骤1-1：运用几何模型建立软件建立铅铋回路系统几何模型，考虑到实际情况，首先在yz平面建立回路轴线模型，按照管道的区域划分把回路轴线模型分成不同的线段，随后在xz平面中以试验段管道轴线的入口端点为圆心，分别以试验段管道横截面半径和主回路管道横截面半径为半径做圆，再将两圆分别沿着各自的管道轴线扫掠，最后在两不同直径管道的交界面出建立面；

步骤1-2：在建立好的几何模型上对不同区域的管道进行选中并命名，分别为试验段管道、预热段管道、泵模块管道、换热段管道以及绝热段管道；

步骤2：在步骤1中得到的铅铋回路系统计算域原型模型，包括试验段管道、预热段管道、泵模块管道、换热段管道以及绝热段管道几何模型的基础上进行网格划分，具体步骤如下：

步骤2-1：运用网格划分软件在步骤1-1中建立的铅铋回路系统几何模型的基础上进行六面体结构化网格划分，得到铅铋回路系统计算域初步整体网格模型；

步骤2-2：进行不同区域网格密度的设计调整，得到铅铋回路系统计算域的最终网格模型，具体地，运用网格划分软件在步骤2-1中得到的铅铋回路系统计算域初步整体网格模型的基础上，对试验段处的网格进行加密处理，并对所有的横截面划分边界层网格的同时对其进行加密处理；

步骤3：选取适配的铅铋物性关系式和湍流普朗特数模型，使用基于滑移网格实现运动条件以及通过附加动量源项模拟生成泵模块的方法并将铅铋物性、湍流普朗特数模型、运动条件以及泵模块以脚本的形式读入流体计算软件，具体步骤如下：

步骤3-1：使用脚本定义铅铋的密度、导热率、比热容和动力粘度，铅铋密度方程为：

ρ＝11113.3-1.34*T(1)

其中：

ρ——铅铋的密度，kg/m

T——温度，K；

导热率方程为：

λ＝4.21+0.012*T(2)

其中：

λ——铅铋的导热率，W·m

动力粘度方程为：

其中：

η——铅铋的动力粘度，Pa·s

比热容方程为：

C

其中：

C

步骤3-2：使用脚本定义湍流普朗特数模型，所定义模型为：

其中：

Pr

Pe——佩克莱数；

步骤3-3：使用脚本编写基于滑移网格的不同种类的运动条件，具体地，对于横摇运动，使用脚本定义回路系统的摇摆轴、摇摆中心以及摇摆角速度；对于起伏运动，使用脚本定义运动方向及速度；其中横摇运动的运动参数变化方程为：

其中：

θ——铅铋回路系统摇摆角度，rad；

ω——铅铋回路系统摇摆角速度，rad/s；

β——铅铋回路系统摇摆角加速度，rad/s

θ

t——运动时间，s；

T

起伏运动的运动参数变化方程为：

其中：

y——起伏运动幅度，m；

v——起伏运动速度，m/s；

a——起伏运动加速度，m/s

y

t——运动时间，s；

T

步骤3-4：使用脚本通过附加动量源项的方法来模拟泵的功能，具体地，在脚本中指定实现泵功能的位置并通过改变源项的大小来改变泵的功率。

步骤4：选择湍流普朗特数模型、PISO算法和边界条件并进行初始化，具体地，对于湍流普朗特数模型和PISO算法参数，通过对比不同模型及算法参数的计算结果来做出利于计算的选择；对于边界条件和初始化，按照计算需求，选择边界条件和初始化数值。

步骤5：将步骤1建立好的计算域原型模型采用计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算，并判断计算结果和精度是否满足要求，如若精度不满足要求或是结果不正确，则需返回步骤2对网格进行加密处理并对步骤4的湍流普朗特数模型、算法、边界条件及初始化进行修改，直至结果和精度满足实际要求。

本发明具有以下有益效果：

1)由于脚本方法具有易更改性，因此，能够实现不同运动形式条件下液态铅铋在回路系统中的流动传热特性计算；

2)模型独立，方法通用性强，可以适用于不同类型的流体力学计算分析程序；

3)模型建立周期短、计算资源消耗少且计算结果精度高，用于各类运动条件的流动传热计算；

附图说明

图1为回路结构示意图。

图2为各种运动形式示意图。

图3为本发明计算方法流程图。

具体实施方式

以下结合图3所示流程图，以典型运动条件下的回路系统计算过程为例，对本发明作进一步的详细描述，回路系统结构如图1所示，回路系统包括预热段、换热段、试验段、泵模块以及绝热管道。典型运动形式如图2所示，包含沿着三条坐标轴分别旋转和平移的六自由度运动。

本发明运动条件下液态金属铅铋在回路系统中流动传热特性计算方法，包括如下步骤：

步骤1：建立铅铋回路系统计算域原型模型，包括试验段管道、预热段管道、泵模块管道、换热段管道以及绝热段管道几何模型，具体步骤如下：

步骤1-1：运用几何模型建立及网格划分软件ANSYS-ICEM建立回路系统的几何模型，考虑到实际情况，首先在yz平面建立回路轴线模型，按照管道的区域划分把回路轴线模型分成不同的线段，随后在xz平面中以试验段管道轴线的入口端点为圆心，分别以试验段管道横截面半径和主回路管道横截面半径为半径做圆，再将两圆分别沿着各自的管道轴线扫掠，最后在两不同直径管道的交界面出建立面。

步骤1-2：在建立好的几何模型上对不同区域的管道进行选中并命名，分别为试验段管道、预热段管道、泵模块管道、换热段管道以及绝热段管道。

步骤2：在步骤1中得到的铅铋回路系统计算域原型模型，包括试验段管道、预热段管道、泵模块管道、换热段管道以及绝热段管道几何模型的基础上使用ANSYS-ICEM进行网格划分，具体步骤如下：

步骤2-1：进行回路系统几何模型的六面体结构化网格划分，得到铅铋回路系统计算域初步整体网格模型，具体地，运用网格划分软件ANSYS-ICEM在步骤1-1中得到的铅铋回路系统几何模型的基础上进行六面体结构化网格划分；

步骤2-2：进行不同区域网格密度的设计调整，得到铅铋回路系统计算域的最终网格模型，具体地，运用网格划分软件ANSYS-ICEM在步骤2-1中得到的铅铋回路系统计算域初步整体网格模型的基础上，对试验段处的网格进行加密处理，并对所有的横截面划分边界层网格的同时对其进行加密处理，以尽可能保证后续计算中的Yplus<1。

步骤3：选取适配的铅铋物性关系式和湍流普朗特数模型，使用基于滑移网格实现运动条件以及通过附加动量源项模拟生成泵模块的方法并将铅铋物性、湍流普朗特数模型、运动条件以及泵模块以脚本的形式读入流体计算软件ANSYS-FLUENT，具体步骤如下：

步骤3-1：使用脚本DEFINE_PROPERTY定义铅铋的密度、导热率、比热容和动力粘度。铅铋密度方程为：

ρ＝11113.3-1.34*T(1)

其中：

ρ——铅铋的密度，kg/m

T——温度，K；

导热率方程为：

λ＝4.21+0.012*T(2)

其中：

λ——铅铋的导热率，W·m

动力粘度方程为：

其中：

η——铅铋的动力粘度，Pa·s

比热容方程为：

C

其中：

C

步骤3-2：使用UDF宏DEFINE_PRANDTL_T定义湍流普朗特数模型，所用模型为：

其中：

Pr

Pe——佩克莱数；

步骤3-3：使用脚本DEFINE_ZONE_MOTION编写基于滑移网格的不同种类的运动条件，具体地，对于横摇运动，使用脚本定义回路系统的摇摆轴、摇摆中心以及摇摆角速度；对于起伏运动，使用脚本定义运动方向及速度。其中横摇运动的运动参数变化方程为：

其中：

θ——铅铋回路系统摇摆角度，rad；

ω——铅铋回路系统摇摆角速度，rad/s；

β——铅铋回路系统摇摆角加速度，rad/s

θ

t——运动时间，s；

T

起伏运动的运动参数变化方程为：

其中：

y——起伏运动幅度，m；

v——起伏运动速度，m/s；

a——起伏运动加速度，m/s

y

t——运动时间，s；

T

步骤3-4：使用脚本DEFINE_SOURCE通过附加动量源项的方法来模拟泵的功能，具体地，在脚本中指定实现泵功能的位置并通过改变源项的大小来改变泵的功率。

步骤4：选择合适的湍流普朗特数模型、PISO算法和边界条件并进行合理的初始化，具体地，对于湍流普朗特数模型和PISO算法参数，通过对比不同模型及算法参数的计算结果来做出利于计算的选择；对于边界条件和初始化，将试验段和预热段设置为恒定热流密度边界条件，将换热段设置为恒定壁温边界条件，将泵及其他管路设置为绝热边界条件，初始化时将铅铋温度设置在300℃，其余参数设置为合适的数值。

步骤5：将步骤1建立好的计算域原型模型采用计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算，并将计算结果与实验关系式进行对比，分析其正确性及精度，当其结果和精度满足要求时，则计算模型及方法正确，则结束计算。如若精度不满足要求或是结果不正确，则需返回步骤2对网格进行加密处理并对步骤4的湍流普朗特数模型、算法、边界条件及初始化进行修改，直至结果和精度满足实际要求。