一种液态金属耦合超临界二氧化碳共轭传热的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种液态金属耦合超临界二氧化碳共轭传热的计算方法，属于液态金属冷却反应堆热工水力计算领域，解决了具有低普朗特湍流换热特征的液态金属耦合具有超临界流动传热特征的超临界二氧化碳共轭传热计算精度不佳和热通量模型耦合困难的问题。本发明专利技术能够自动对液态金属与超临界二氧化碳进行区分，并分别应用两方程热湍流模型和湍流普朗特数经验模型进行两中流体的湍流热扩散计算修正，从而建立起液态金属耦合超临界二氧化碳高保真三维共轭传热分析平台。该方法使用先进的液态金属两方程热湍流模型修正液态金属的CFD传热计算，同时可以使用湍流普朗特数经验模型修正超临界二氧化碳的跨临界CFD传热计算。超临界二氧化碳的跨临界CFD传热计算。

【技术实现步骤摘要】
一种液态金属耦合超临界二氧化碳共轭传热的计算方法


[0001]本专利技术属于液态金属冷却反应堆热工水力计算领域，具体涉及一种液态金属耦合超临界二氧化碳共轭传热的计算方法。

技术介绍

[0002]为满足四代堆的安全性和经济性要求，高效紧凑式超临界二氧化碳(S
‑
CO2)布雷顿循环被提出应用于液态金属冷却核反应堆的动力转换设计中，因此研究液态金属与S
‑
CO2的共轭传热特性对于指导先进液态金属冷却核能系统设计具有重要意义。然而液态金属与S
‑
CO2属于两种分子普朗特数(Pr)差异较大的流体，模拟它们流动传热的CFD湍流换热模型也相差较大。为了支撑液态金属与S
‑
CO2的换热器设计和掌握其热焓匹配耦合换热机理，需进一步开发恰当的CFD方法对其进行精细化共轭传热研究。
[0003]液态金属，如铅(Pb)，它的Pr较小，如图1所示，意味着其速度场与温度场之间存在较大的差异性，这会导致常用于常规流体(Pr～1，速度边界层与温度边界层相似)的雷诺比拟假设，即假定湍流普朗特数(Pr
t
)为0.85不再适用，会影响Pb的CFD传热精度。为了解决这个问题，许多学者聚焦于两方程k
θ
‑
ε
θ
模型的研究。相比于Pr
t
＝0.85模型，两方程k
θ
‑
ε
θ
模型通过输运温度脉动k
θ
及其耗散率ε
θ
，联合动力湍流模型和热湍流模型，来输运计算液态金属的湍流普朗特数Pr
t
，有望提高Pb的CFD传热计算精度。
[0004]位于拟临界区的S
‑
CO2物性变化剧烈，属于高Pr流体，如图2所示，Pr
t
＝0.85模型会影响其在拟临界区内的流动传热计算结果；而远离临界区的S
‑
CO2物性变化平滑，流动状态又逐渐归于常规流体(Pr～1)范畴，Pr
t
＝0.85模型通常可满足其在远离临界区内的流动传热计算。为了满足S
‑
CO2的跨临界流动传热计算，许多学者开发了基于不同局部湍流参数判断的湍流普朗特数Pr
t
关系式，可用于改进处于不同温区的S
‑
C02流动传热CFD计算。
[0005]图3为Pb与S
‑
CO2在印刷电路板式换热器(PCHE)换热通道内的共轭传热Pr
t
变化示意图。低Pr的Pb与高Pr的S
‑
CO2耦合在大温差、高变热流换热通道内的热量传输过程存在异化现象(Pb以分子热传导为主，S
‑
CO2以湍流热扩散为主)，尽管上述两方程热湍流k
θ
‑
ε
θ
模型和Pr
t
经验关系已可分别改进液态金属和S
‑
CO2的流动传热计算，但由于两方程热湍流模型的微分数值形式、边界条件等复杂性，加上液态金属与超临界流体的物性差异，传统商业CFD软件较难开展同时耦合两方程热湍流k
θ
‑
ε
θ
模型和Pr
t
经验关系的液态金属与S
‑
CO2的共轭传热计算，因此亟待建立基于液态金属两方程热湍流模型和S
‑
CO2湍流普朗特数经验模型修正的液态金属与超临界二氧化碳的高保真精细化三维共轭传热数值分析方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种液态金属耦合超临界二氧化碳共轭传热的计算方法，以解决具有低普朗特湍流换热特征的液态金属耦合具有超临界流动传热特征的超临界二氧化碳共轭传热计算精度不佳和热通量模型耦合困难的问题。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种液态金属耦合超临界二氧化碳共轭传热的计算方法，
包括以下步骤：步骤1：在OpenFOAM中，基于内置流固共轭传热求解器，建立用户自定义共轭传热求解器；步骤2：在步骤1建立的用户自定义共轭传热求解器中，建立湍流热扩散系数变量α
t
和输运计算所述湍流热扩散系数的温度脉动变量k
θ
及其耗散率变量ε
θ
；调用热物性函数库中的温度
‑
压力及物性变量，包括温度T、压力P、流体密度ρ
f
、流体比热容C
pf
、流体导热系数λ
f
、流体分子运动黏度v
f
、固体密度ρ
s
、固体比热容C
ps
和固体导热系数λ
s
；调用湍流函数库中的速度及湍流变量，包括速度u
i
、湍流运动黏度v
t
和输运计算所述湍流运动黏度的湍动能k及其耗散率ε；步骤3：添加物性判断，添加超临界二氧化碳能量守恒方程，添加液态金属能量守恒方程及两方程热湍流k
θ
‑
ε
θ
模型，具体步骤如下：在原能量方程EEqn.H文件中添加物性判断条件，判断条件为：遍历各流体域网格所代表的密度值，判断流体域网格内的所具有的最大密度值是否小于液态金属当前计算步的最小密度值；若流体域网格内的所具有的最大密度值小于液态金属当前计算步的最小密度值，则进行计算超临界二氧化碳能量守恒方程，定义适用于超临界二氧化碳跨临界传热计算的湍流普朗特数经验模型，并添加超临界二氧化碳能量守恒方程；若流体域网格内的所具有的最大密度值大于液态金属当前计算步的最小密度值，则进行计算液态金属能量守恒方程，添加液态金属能量守恒方程，并添加用于计算液态金属湍流热扩散系数α
t
的两方程k
θ
‑
ε
θ
热湍流模型程序段；步骤4：添加用于计算液态金属两方程k
θ
‑
ε
θ
热湍流模型的相关函数头文件至步骤1所建立的用户自定义共轭传热求解器的主程序文件中；步骤5：根据实际计算问题，在用户算例文件夹下的流体物性字典文件中对步骤2中调用的流体及固体热物性变量施加合适的OpenFOAM标准物性条件；在用户算例文件夹下的流体湍流模型字典文件中对各流体所需要使用的湍流模型进行指定；在用户算例文件夹下的重力字典文件中指定重力的大小和方向；步骤6：在用户算例初始文件夹下对步骤2中调用和建立的各物理量施加合适的数值模拟边界条件，具体步骤如下：步骤6
‑
1：对以下调用的物理量：温度T、压力P、速度u
i
、湍流运动黏度v
t
、湍动能k及其耗散率ε或其比耗散率ω、湍流热扩散系数α
t
，调用标准的OpenFOAM边界条件；步骤6
‑
2：对处于流
‑
固耦合面上的温度脉动k
θ
及其耗散率ε
θ
施加OpenFOAM标准本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液态金属耦合超临界二氧化碳共轭传热的计算方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：在OpenFOAM中，基于内置流固共轭传热求解器，建立用户自定义共轭传热求解器；步骤2：在步骤1建立的用户自定义共轭传热求解器中，建立湍流热扩散系数变量α
t
和输运计算所述湍流热扩散系数的温度脉动变量k
θ
及其耗散率变量ε
θ
；调用热物性函数库中的温度
‑
压力及物性变量，包括温度T、压力P、流体密度ρ
f
、流体比热容C
pf
、流体导热系数λ
f
、流体分子运动黏度v
f
、固体密度ρ
s
、固体比热容C
ps
和固体导热系数λ
s
；调用湍流函数库中的速度及湍流变量，包括速度u
i
、湍流运动黏度v
t
和输运计算所述湍流运动黏度的湍动能k及其耗散率ε；步骤3：添加物性判断，添加超临界二氧化碳能量守恒方程，添加液态金属能量守恒方程及两方程热湍流k
θ
‑
ε
θ
模型，具体步骤如下：在原能量方程EEqn.H文件中添加物性判断条件，判断条件为：遍历各流体域网格所代表的密度值，判断流体域网格内的所具有的最大密度值是否小于液态金属当前计算步的最小密度值；若流体域网格内的所具有的最大密度值小于液态金属当前计算步的最小密度值，则进行计算超临界二氧化碳能量守恒方程，定义适用于超临界二氧化碳跨临界传热计算的湍流普朗特数经验模型，并添加超临界二氧化碳能量守恒方程；若流体域网格内的所具有的最大密度值大于液态金属当前计算步的最小密度值，则进行计算液态金属能量守恒方程，添加液态金属能量守恒方程，并添加用于计算液态金属湍流热扩散系数α
t
的两方程k
θ
‑
ε
θ
热湍流模型程序段；步骤4：添加用于计算液态金属两方程k
θ
‑
ε
θ
热湍流模型的相关函数头文件至步骤1所建立的用户自定义共轭传热求解器的主程序文件中；步骤5：根据实际计算问题，在用户算例文件夹下的流体物性字典文件中对步骤2中调用的流体及固体热物性变量施加合适的OpenFOAM标准物性条件；在用户算例文件夹下的流体湍流模型字典文件中对各流体所需要使用的湍流模型进行指定；在用户算例文件夹下的重力字典文件中指定重力的大小和方向；步骤6：在用户算例初始文件夹下对步骤2中调用和建立的各物理量施加合适的数值模拟边界条件，具体步骤如下：步骤6
‑
1：对以下调用的物理量：温度T、压力P、速度u
i
、湍流运动黏度v
t
、湍动能k及其耗散率ε或其比耗散率ω、湍流热扩散系数α
t
，调用标准的OpenFOAM边界条件；步骤6
‑
2：对处于流
‑
固耦合面上的温度脉动k
θ
及其耗散率ε
θ
施加OpenFOAM标准的零固定梯度值边界条件；步骤7：在用户算例文件夹下的计算控制字典文件、数值离散格式字典文件、数值求解字典文件中分别对计算步长及输出控制、数值离散格式、数值求解算法进行设定；步骤8：读取流体域网格模型，采用OpenFOAM内置PIMPLE算法分别求解液态金属流体和超临界二氧化碳流体的质量守恒方程(1)、动量守恒方程(2)、以及超临界二...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏兴康，顾龙，李显文，张世旭，关兴彩，刘扬，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：