高等流體力學(xué)課程論文氣冷堆燃料元件表面流場(chǎng)及溫度場(chǎng)模擬

1、氣冷堆燃料元件表面流場(chǎng)及溫度場(chǎng)模擬 1.本文主要研究?jī)?nèi)容國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)模塊式高溫氣冷堆球床內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)做過(guò)大量研究，并取得了不少成果。這方面的研究涉及了燃料元件與壁面或燃料元件之間接觸和間隙情況下的傳熱和流動(dòng)的特征，孔隙率對(duì)溫度分布均勻性的影響等等。本文的主要研究?jī)?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(duì)分布規(guī)律的影響。2.球床內(nèi)流動(dòng)與換熱數(shù)學(xué)模型實(shí)際上，在球床對(duì)內(nèi)，燃料元件的分布是隨機(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

2、方體堆積時(shí)對(duì)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。2.1 物理模型在球床對(duì)內(nèi)，球形燃料元件的不同堆積方式對(duì)氦氣的流動(dòng)及其溫度分布會(huì)產(chǎn)生的影響不同。因此，我們需要建立模型模擬以下情況：（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(shí)溫度分布和流動(dòng)的改變?；谶@兩方面，我們需要建立不同堆積方式的模型。圖2.1 正四棱錐堆積圖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，左邊為燃料元件的分布，右邊為流體區(qū)域。在兩個(gè)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的平面尺寸圖。第一層燃料球球

3、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(guò)對(duì)以上兩個(gè)簡(jiǎn)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(guò)對(duì)以上兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果比較和分析不同堆積方式對(duì)球床內(nèi)溫度分布及氦氣流動(dòng)的影響。圖2.2 立方體堆積模型圖2.3 正四棱錐堆積模型圖2.4非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格2.2 模型為了使方程封閉，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(dòng)能k方程基礎(chǔ)之上引入湍流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率方程形成的，于1972年提出。其中k為湍動(dòng)能，為湍流耗散率，分別來(lái)自湍流動(dòng)能方程式和耗散方程式。它們的計(jì)算公式如下： k=3/2*(u*I)2(2.4)式中u為

4、流體流速，I為湍流強(qiáng)度。(2.5)由量綱分析可以得粘性系數(shù)與湍動(dòng)能k和耗散率的關(guān)系式如下：(2.6)其中有：=Cu34*k32l(2.7)式中Cu為無(wú)量綱常數(shù)，通常取0.09，k為湍動(dòng)能，l為湍流尺度。2.3物理模型及求解器設(shè)置在求解控制方程時(shí)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(lái)計(jì)算控制方程中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。對(duì)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(duì)非定常流動(dòng)問(wèn)題或者包含比平均網(wǎng)傾斜度更高的網(wǎng)格則使用PISO

5、算法，基于本模型網(wǎng)格不規(guī)則且是非定常流動(dòng)模型，因此選用PISO算法，其計(jì)算結(jié)果會(huì)更精確一些；但是這種算法相比較起SIMPLEC算法，可能收斂較困難，因此需要根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整松弛因子，該因子減小有利于收斂，但是會(huì)增加收斂時(shí)間，所以需謹(jǐn)慎使用。由于球床內(nèi)的燃料元件堆積形成的空隙通道不規(guī)則，流體壓力變化劇烈，PRESTO！主要用于高旋流，壓力急劇變化流。因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。2.4邊界條件設(shè)定及其實(shí)現(xiàn)在本模型當(dāng)中，由于只取局部進(jìn)行分析，設(shè)定

6、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，由于在堆芯取的局部模型壓降相對(duì)于運(yùn)行壓力來(lái)說(shuō)比較小，相對(duì)壓力取0Pa時(shí)有利于分析。進(jìn)出口溫度分別為250整個(gè)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(duì)于進(jìn)出口的湍動(dòng)能k和湍流耗散率，可由上述公式計(jì)算得出。在流體流動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，球體壁面溫度分布不均勻，不能設(shè)定球體表面溫度，第一類邊界條件不適用，這里采用第二類邊界條件。同時(shí)選用無(wú)滑移光滑表面。從HTR-10的運(yùn)行參數(shù)可知，其熱功率為10MW，燃

7、料球總數(shù)量為27000個(gè)，尺寸為60mm，有以下公式可得出：所以,設(shè)定壁面的熱流量為32747.93W/m2.3 計(jì)算結(jié)果與分析本章根據(jù)第三章所建立的數(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,并討論了燃料球尺寸、孔隙率等對(duì)上述規(guī)律的影響。圖3.1速度、溫度、壓力及擾動(dòng)分布3.1正四棱錐堆積方式從整個(gè)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元件著手，研究其表面壓力以及溫度等的分布情況。在整個(gè)球床堆芯內(nèi)，除球床周圍邊界的燃料元件外，幾乎所有燃料元件的溫度、速度和壓

8、力的分布規(guī)律基本相同。因此，取模型當(dāng)中的單一燃料元件來(lái)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元件對(duì)比分析。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)。在燃料元件末端也出現(xiàn)了較高的溫度，這是由于在這個(gè)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(duì)流換熱很差，從而使元件的局部溫度很高。 圖3.2 元件表面溫度分布如圖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。圖3.3 元件表面壓力分布如圖3.4所示，該圖為元

9、件表面沿冷卻劑流動(dòng)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(duì)應(yīng)。原因如上所述，均是由于元件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(shí)速度升高。圖3.4 元件表面速度分布因此可以得出結(jié)論，在燃料元件堆積形式不變，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(dòng)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發(fā)生了變化。3. 2立方體堆積方式當(dāng)燃料元件堆積形式發(fā)生改變時(shí)，必然對(duì)對(duì)球床燃料元件溫度、速度和壓力分布和變化的影響。在不改變?nèi)剂显叽绲那疤嵯?，?duì)其堆積形式做一些改變，分析這一單一變量對(duì)上述分布的影響。把上述正四棱錐堆積方式變?yōu)榱⒎襟w堆積形式，

10、其分布如下：如圖3.5所示，該圖是模型中心的單一元件溫度分布圖。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(gè)：一是此處位于上下兩層燃料元件接觸點(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(duì)流換熱很差。0點(diǎn)附近出現(xiàn)溫度較高點(diǎn)的原因單一，就是燃料元件之間在此處相互接觸，接觸點(diǎn)附近流體流動(dòng)較慢，對(duì)流換熱較差。圖3.5 元件表面溫度分布如圖3.6所示，沿流動(dòng)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。在立方體排布形式當(dāng)中，元件上半部分壓降變化很慢，但到下半

11、部分時(shí)，壓力會(huì)迅速降低，這與上面所述的原理一樣，在燃料元件相互形成的較小空隙處形成了類似擴(kuò)壓管的通道，導(dǎo)致這個(gè)位置壓力突然降低。兩者有一個(gè)共同點(diǎn)就是這個(gè)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(gè)較小間隙位置就處于元件不同位置。圖3.6 元件表面壓力分布如圖3.7所示，速度在0點(diǎn)附近出現(xiàn)了最大值點(diǎn)，在-3cm和3cm處最小，幾乎為零。與圖3.13相對(duì)應(yīng)分析可知，在-3cm和3cm處為燃料元件接觸點(diǎn)，也是燃料元件在流動(dòng)方向的最低和最高位置，在這些位置會(huì)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。圖3.7 元件表面速度分布4.小結(jié)本文不僅計(jì)算得到了燃料元件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元件堆積方式模型下的分布規(guī)律；討論了孔隙率對(duì)其的影響，得到的主要結(jié)論如下：（1）