高等流體力學(xué)課程論文-高溫氣冷堆燃料球表面流場及溫度場模擬

1、<p>　　中 國 礦 業(yè) 大 學(xué)</p><p>　　高等流體力學(xué)課程論文</p><p>　　學(xué) 號 TS17130000P2 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　課程名稱 高等流體力學(xué) </p><p>　　任

2、課教師 </p><p>　　日 期：2017年10月16日</p><p>　　高溫氣冷堆燃料球表面流場及溫度場模擬</p><p>　　摘 要：高溫氣冷堆是國際公認(rèn)的一種具有良好安全特性的第四代核反應(yīng)堆型。本文對高溫氣冷堆中氦氣與燃料球的流動與傳熱過程進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，預(yù)測高溫氣冷堆中的溫度、速度和壓力分布。使用IC

3、EMCFD對模型劃分了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。討論了不同堆積方式對氦氣的流動及其溫度分布會產(chǎn)生的影響以及不同尺寸和不同燃料球堆積方式模型下的分布規(guī)律。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高溫氣冷堆；燃料球；氦氣；數(shù)值模擬</p><p>　　1.本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對模塊式高溫氣冷堆球床內(nèi)的流場、溫度場做過大量研究，并取

4、得了不少成果。這方面的研究涉及了燃料球與壁面或燃料球之間接觸和間隙情況下的傳熱和流動的特征，孔隙率對溫度分布均勻性的影響等等[1]。本文的主要研究內(nèi)容是數(shù)值計(jì)算獲得堆芯元件表面冷卻劑氦氣的速度及溫度分布規(guī)律，并研究不同堆積方式對分布規(guī)律的影響。</p><p>　　2.球床內(nèi)流動與換熱數(shù)學(xué)模型</p><p>　　實(shí)際上，在球床對內(nèi)，燃料球的分布是隨機(jī)不規(guī)則分布的，有些部分可能是正四棱錐堆

5、積，有些部分是立方體形式堆積；當(dāng)然，還有可能是其它的堆積方式。本文主要研究的是正四棱錐堆積于立方體堆積時對溫度、速度分布的影響。因此，建立的物理模型由立方體和正四棱錐兩種，采用的計(jì)算軟件為Fluent。</p><p><b>　　2.1 物理模型</b></p><p>　　在球床對內(nèi)，燃料球的不同堆積方式對氦氣的流動及其溫度分布會產(chǎn)生的影響不同。因此，我們需要建立

6、模型模擬以下情況：（1）球床內(nèi)溫度、壓力和速度分布規(guī)律；（2）堆積方式變化時溫度分布和流動的改變?；谶@兩方面，我們需要建立不同堆積方式的模型。</p><p>　　圖2.1 正四棱錐堆積</p><p>　　圖2.2和圖2.3分別為立方體堆積模型和正四棱錐堆積模型，其中可以明顯看到，左邊為燃料球的分布，右邊為流體區(qū)域。在兩個模型當(dāng)中，燃料球的尺寸均為60mm。圖2.1中為正四棱錐堆積方式

7、的平面尺寸圖。第一層燃料球球心之間的距離為7.002cm,第一層與第二層燃料球球心的距離為3.3912cm。通過對以上兩個簡單的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可以獲得球床內(nèi)冷卻劑氦氣的速度及溫度分布規(guī)律。通過對以上兩個模型的計(jì)算結(jié)果比較和分析不同堆積方式對球床內(nèi)溫度分布及氦氣流動的影響。</p><p>　　圖2.2 立方體堆積模型</p><p>　　圖2.3 正四棱錐堆積模型</p>

8、<p><b>　　圖2.4非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格</b></p><p><b>　　2.2 模型</b></p><p>　　為了使方程封閉，特別是在高雷諾數(shù)下的計(jì)算，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)模型，該模型是在湍動能k方程基礎(chǔ)之上引入湍流脈動動能的耗散率方程形成的，于1972年提出[2]。其中k為湍動能，為湍流耗散率，分別來自湍流動能方程式和耗散方程式。它們

9、的計(jì)算公式如下： </p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　式中u為流體流速，I為湍流強(qiáng)度。</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　由量綱分析可以得粘性系數(shù)與湍動能k和耗散率的關(guān)系式如下：</p><p><b&

10、gt;　　(2.6)</b></p><p><b>　　其中有：</b></p><p><b>　　(2.7)</b></p><p>　　式中為無量綱常數(shù)，通常取0.09，k為湍動能，l為湍流尺度。</p><p>　　2.3物理模型及求解器設(shè)置</p><p&

11、gt;　　在求解控制方程時采用Fluent軟件,選用基于壓力的求解器，物理模型采用非穩(wěn)態(tài)模型，由于本文三維模型網(wǎng)格單元基本為多面體結(jié)構(gòu)，因此選least-quares cell based這種壓力梯度來計(jì)算控制方程中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。對于近壁面的處理方式采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，其中壓力-速度解耦一般使用SIMPLE和SIMPLEC，對非定常流動問題或者包含比平均網(wǎng)傾斜度更高的網(wǎng)格則使用PISO算法[3]。PRESTO主要用于高旋流，壓力急劇變化流。因

12、此壓力基分離求解器的壓力插值算法建議使用PRESTO。這里可以先采用一階方程進(jìn)行初始迭代，再進(jìn)行二階迭代計(jì)算，若MUSCL算法能夠滿足收斂條件則亦用MUSCL算法進(jìn)行更精確的計(jì)算。</p><p>　　2.4邊界條件設(shè)定及其實(shí)現(xiàn)</p><p>　　在本模型當(dāng)中，由于只取局部進(jìn)行分析，設(shè)定氦氣為在高壓下的局部模型當(dāng)中為不可壓縮流體。根據(jù)HTR-10的運(yùn)行參數(shù)知，運(yùn)行壓力為3MP，由于在堆芯

13、取的局部模型壓降相對于運(yùn)行壓力來說比較小，相對壓力取0Pa時有利于分析。進(jìn)出口溫度分別為250 ℃和700 ℃，取其之間的任意溫度均可，為方便計(jì)算，取模型入口溫度為600K。整個堆芯入口質(zhì)量流量為4.3kg/s,根據(jù)模型入口截面的大小可以算出正四棱錐模型入口流量為0.03312kg/s,立方體模型的入口流量為0.02454kg/s。對于進(jìn)出口的湍動能k和湍流耗散率，可由上述公式計(jì)算得出。在流體流動過程當(dāng)中，采用第二類

14、邊界條件。同時選用無滑移光滑表面。HTR-10的熱功率為10MW，燃料球總數(shù)量為27000個，尺寸為60mm，有以下公式可得出：</p><p>　　所以,設(shè)定壁面的熱流量為32747.93W/m2.</p><p>　　3 計(jì)算結(jié)果與分析</p><p>　　本章根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得到固定床反應(yīng)堆堆芯內(nèi)冷卻劑氦氣的速度及其溫度分布規(guī)律,并討論了燃料球

15、尺寸、孔隙率等對上述規(guī)律的影響。</p><p>　　圖3.1速度、溫度、壓力及擾動分布</p><p>　　3.1正四棱錐堆積方式</p><p>　　從模型的分析可以看出，我們已得到溫度、速度甚至壓力變化的大概規(guī)律，但是要想更好更具體地分析冷卻劑氦氣的溫度、速度以及壓力分布，我們還需要從單一燃料球著手，研究其表面壓力以及溫度等的分布情況。在整個球床堆芯內(nèi)，除球床

16、周圍邊界的燃料球外，幾乎所有燃料球的溫度、速度和壓力的分布規(guī)律基本相同[4]。因此，取模型當(dāng)中的單一燃料球來分析即可，在此模型當(dāng)中，分別取兩種情況下其中心的單一燃料球?qū)Ρ确治觥?lt;/p><p>　　如圖3.2所示，在元件間接觸點(diǎn)附近出現(xiàn)溫度的極大值點(diǎn)。在燃料球末端也出現(xiàn)了較高的溫度，這是由于在這個地方冷卻劑流速很低，且有渦流形成，使該區(qū)域內(nèi)冷卻劑出現(xiàn)滯留甚至倒流，導(dǎo)致對流換熱很差，從而使元件的局部溫度很高。<

17、;/p><p>　　圖3.2 元件表面溫度分布</p><p>　　如圖3.3所示，在Z軸-1.6cm和1.6cm的地方都出現(xiàn)了壓力的極小值點(diǎn)，這些地方出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于這些位置間隙通道較小，且形成類似擴(kuò)壓管結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓力迅速降低而流速迅速升高。</p><p>　　圖3.3 燃料球表面壓力分布</p><p>　　如圖3.4所示，該圖為球

18、表面沿冷卻劑流動方向的速度分布圖，可發(fā)現(xiàn)速度最高點(diǎn)與壓力的極小值點(diǎn)相對應(yīng)。原因如上所述，均是由于球間狹小縫隙通道處形成擴(kuò)壓管結(jié)構(gòu)，在此處壓力迅速降低，同時速度升高。</p><p>　　圖3.4 燃料球表面速度分布</p><p>　　因此可以得出結(jié)論，在燃料球堆積形式不變，改變尺寸或者增大流速、熱流密度等的情況下，冷卻劑在球床內(nèi)的流動的規(guī)律基本一致，分布形式大致相同，只是在形式或者程度上

19、發(fā)生了變化。</p><p>　　3. 2立方體堆積方式</p><p>　　當(dāng)燃料球堆積形式發(fā)生改變時，必然對對球床燃料球溫度、速度和壓力分布和變化的影響。在不改變?nèi)剂锨虺叽绲那疤嵯拢瑢ζ涠逊e形式做一些改變，分析這一單一變量對上述分布的影響[5]。把上述正四棱錐堆積方式變?yōu)榱⒎襟w堆積形式，其分布如下：</p><p>　　如圖3.5所示，該圖是模型中心的單一元件溫

20、度分布圖。在坐標(biāo)-3cm和3cm處出現(xiàn)了溫度的最高值，而在0點(diǎn)附近也出現(xiàn)了溫度分布的較高點(diǎn)。其中坐標(biāo)-3cm和3cm處出現(xiàn)溫度極值的原因有兩個：一是此處位于上下兩層燃料球接觸點(diǎn)；二是此處流速較低，與正四棱錐模型一樣，有渦流形成，該區(qū)域內(nèi)冷卻劑出現(xiàn)滯留甚至倒流，對流換熱很差。0點(diǎn)附近出現(xiàn)溫度較高點(diǎn)的原因單一，就是燃料球之間在此處相互接觸，接觸點(diǎn)附近流體流動較慢，對流換熱較差。</p><p>　　圖3.5 燃料球表

21、面溫度分布</p><p>　　如圖3.6所示，沿流動方向，壓力在元件表面的變化與正四棱錐堆積形式的變化有很大區(qū)別。兩者有一個共同點(diǎn)就是這個壓力迅速降低的位置都是在與周圍元件形成的較小空隙處。但是元件堆積方式不同，這個較小間隙位置就處于元件不同位置。</p><p>　　圖3.6 燃料球表面壓力分布</p><p>　　如圖3.7所示，速度在0點(diǎn)附近出現(xiàn)了最大值點(diǎn)，

22、在-3cm和3cm處最小，幾乎為零。與圖3.13相對應(yīng)分析可知，在-3cm和3cm處為燃料球接觸點(diǎn)，也是燃料球在流動方向的最低和最高位置，在這些位置會出現(xiàn)渦流甚至倒流，速度最低。而在0點(diǎn)附近周圍元件形成了類似于擴(kuò)壓管的結(jié)構(gòu)，壓降最快，速度也增加最快。</p><p>　　圖3.7 燃料球表面速度分布</p><p><b>　　4.小結(jié)</b></p>

23、<p>　　本文不僅計(jì)算得到了燃料球以正四棱錐方式堆積的球床內(nèi)溫度、速度和壓力的分布規(guī)律，而且得到不同尺寸和不同燃料球堆積方式模型下的分布規(guī)律；討論了孔隙率對其的影響，得到的主要結(jié)論如下：</p><p>　　（1）在流速較慢的位置溫度較高, 在元件間接觸位置附近達(dá)到溫度最高。</p><p>　?。?）沿流動方向上，在燃料球表面的最低和最高位置的最小間隙處,壓力會出現(xiàn)極小值點(diǎn)。

24、</p><p>　?。?）溫度、速度和壓力具有相關(guān)性，冷卻流速與燃料球的表面溫度呈反比關(guān)系。在流動方向上，元件最高和最低位置間隙處壓力最低，在這附近速度最高。</p><p>　?。?）不同燃料球堆積形式分布規(guī)律差距較大，同一分布不同尺寸分布大致相同</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[

25、1] 張海龍，中國新能源發(fā)展研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014</p><p>　　[2] 任成，高溫氣冷堆球床等效導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置模擬計(jì)算[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，09：991-997</p><p>　　[3] 劉時賢，李曉偉，吳梓馨.球床高溫氣冷堆堆芯冷卻劑流動與放熱特性數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，11：2106-2111</p>&

26、lt;p>　　[4] Lee.J.J. Numerical treatment of pebble contact in the flow and heat transfer analysis of a pebble bed reactor core[J].Nuclear Engineering and Design,2007.237(22):2183-2196.</p><p>　　[5] 楊劍.三維顆粒