一种液态金属螺旋管蒸汽发生器全三维耦合计算及优化方法技术

本发明专利技术公开了一种液态金属螺旋管蒸汽发生器全三维耦合计算及优化方法，包括以下步骤：1.液态金属螺旋管蒸汽发生器几何模型简化处理；2.液态金属螺旋管蒸汽发生器管侧与壳侧几何模型的建立；3.液态金属螺旋管蒸汽发生器计算域模型内的各部分进行网格划分与节点划分，得到各部分的网格模型，并进行边界条件设置；4.壳侧与管侧能量源项计算；5.管侧能量源项空间离散，对应坐标节点处管侧与壳侧能量源项匹配耦合；6.管侧与壳侧之间内部节点上数据传递，迭代至收敛解；7.改变几何模型参数，开展多工况计算，获得不同几何结构的蒸汽发生器模型综合性能；8.采用多元线性拟合，获得工况参数范围内的蒸汽发生器最佳几何参数组合。数范围内的蒸汽发生器最佳几何参数组合。数范围内的蒸汽发生器最佳几何参数组合。

【技术实现步骤摘要】
一种液态金属螺旋管蒸汽发生器全三维耦合计算及优化方法


[0001]本专利技术属于核反应堆热工水力计算
，具体涉及一种液态金属螺旋管蒸汽发生器全三维耦合计算及优化方法。

技术介绍

[0002]螺旋管蒸汽发生器是一种蒸汽发生器常用形式，其主要由：螺旋管束、内筒、壳体外壁面组成。液态金属螺旋管蒸汽发生器结构特殊，管内流体除了受到重力、浮力的影响，还受到离心力的影响。管外流体为外掠管束流动，由于受到管束的搅混作用，强化了两侧流体的换热，提高了蒸汽发生器的热效率。通过进一步的设计优化工作可进一步提高液态金属螺旋管式蒸汽发生器的热效率。
[0003]由于液态金属螺旋管蒸汽发生器结构复杂，且普遍尺寸较大。使用计算流体力学手段进行三维精细化计算时计算成本极高，同时由于开展设计优化时需要针对多个几何模型开展计算，采用三维精细化数值模拟方法将耗费大量计算成本。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种液态金属螺旋管蒸汽发生器全三维耦合计算及优化方法，该方法运用计算流体力学工具建立，实现液态金属螺旋管蒸汽发生器全三维耦合计算设计优化。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种液态金属螺旋管蒸汽发生器全三维耦合计算及优化方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：根据液态金属螺旋管蒸汽发生器几何特点，对其几何模型进行简化处理：
[0008]步骤1
‑
1：首先以液态金属螺旋管蒸汽发生器壳侧区域最外侧和最内侧轮廓为边界建立完整均匀介质的几何模型，该几何模型内不考虑螺旋管几何结构特点；
[0009]步骤1
‑
2：因多孔介质方法需要对几何简化处理部分定义分布阻力源项，对其几何模型进行简化处理，根据螺旋管螺旋直径、螺旋升角、螺旋管外径及结构特点决定其分布阻力的大小，因此几何简化过程中还需要根据不同的径向位置将螺旋管束管划分为若干区域，用于添加不同位置阻力模型，保证后续蒸汽发生器进行数值计算结果的准确性；
[0010]步骤2：根据步骤1的几何模型简化处理方式，对螺旋管蒸汽发生器中螺旋管区域进行分层建立均匀介质模型，对各层螺旋管束建立多孔介质几何模型，最终获得具有多层均匀介质的液态金属螺旋管蒸汽发生器几何模型；
[0011]步骤3：在步骤2获得的具有多层均匀介质的液态金属螺旋管蒸汽发生器几何模型基础上，对管侧及壳侧计算域的重合部分即螺旋管束换热区采用完全相同的计算节点划分策略；通过控制网格节点保证螺旋管束区域壳侧区域网格节点划分一致性，首先保证管侧与壳侧的几何结构完全一致，然后基于结构化节点划分策略对管侧及壳侧耦合区域分别进行计算节点划分，在节点划分过程中采用的划分流程、相同位置处的节点数、相同位置处的节点分布保持完全一致；
[0012]步骤4：液态金属螺旋管蒸汽发生器的壳侧流体为高温液态金属流动，二次侧流体为过冷液体至饱和沸腾最终到达饱和蒸汽的两相流动过程，壳侧与管侧之间能量通过螺旋管管壁的导热过程进行传递；壳侧失去能量获得负能量源项，螺旋管内流体得到能量获得正能量源项；在三维能量耦合过程中首先需要获取液态金属螺旋管蒸汽发生器模型内壳侧各节点的负能量源项以及对应的管侧各节点的正能量源项；三维能量耦合中所需要的管侧和壳侧能量源项分别通过对管侧和壳侧的纳维斯托克斯方程，在管侧和壳侧的计算节点上进行区域离散，并采用数值传热学计算方法对一次侧和二次侧的流体流动与传热方程分别进行求解获得每个计算节点上的能量源项，求得每个计算节点上的能量源项代数表达式；液态金属的物性以及适配的湍流普朗特数关系式以脚本形式导入计算流体力学软件；
[0013]步骤5：螺旋管蒸汽发生器需要保证在相同坐标位置处的计算节点上进行两侧能量源项数据对应交换；为了实现管侧与壳侧之间的能量源项双向传递，需要对耦合换热区域的管侧及壳侧三维坐标重合区域连接节点进行标记，保证管、壳两侧计算节点之间的空间坐标有相互对应关系；
[0014]步骤6：壳侧计算节点与螺旋管侧计算节点与周围节点之间的数据交换；步骤4中获得的液态金属螺旋管蒸汽发生器模型内壳侧各节点处的能量源项与其对应的进行能量交换的能量源项处于不平衡状态，需要依据步骤5建立的对应关系，进行数据交换迭代，最终达到一个热力学参数平衡状态，源项通过分别求解壳侧和管侧计算节点上的N
‑
S离散方程实现整体液态金属螺旋管蒸汽发生器的能量平衡，最终能够获得稳定的三维的热工参数分布结果；
[0015]步骤7：改变螺旋管蒸汽发生器几何模型参数，开展多模型多工况计算，获得不同几何结构的蒸汽发生器模型热工水力特性，采用综合性能评价指标评价各几何模型的综合性能。
[0016]步骤8：以螺旋管蒸汽发生器几何参数为自变量，采用多元线性拟合方法，获得工况参数范围内的响应曲面，并根据极值点对应的几何参数获得蒸汽发生器最佳几何参数组合。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：
[0018]1)能够实现真实尺寸液态金属螺旋管式蒸汽发生器全三维耦合计算，获得热工水力特性；
[0019]2)模型独立，方法通用性强，可以适应于不同类型的流体力学计算分析程序，不同耦合方法；
[0020]3)可以大幅降低液态金属螺旋管式蒸汽发生器全三维计算成本，为蒸汽发生器优化设计提供新的思路方法。
附图说明
[0021]图1为本专利技术耦合计算方法流程图。
[0022]图2为某工况下的多元拟合曲面。
具体实施方式
[0023]以下结合图1所示流程图，对本专利技术作进一步的详细描述，本专利技术一种液态金属螺
旋管蒸汽发生器全三维耦合计算及优化方法，包括如下步骤：
[0024]步骤1：根据液态金属螺旋管蒸汽发生器几何特点，对其几何模型进行简化处理：
[0025]步骤1
‑
1：针对液态金属螺旋管蒸汽发生器几何特点，对其几何模型进行简化处理，首先以液态金属螺旋管蒸汽发生器壳侧区域最外侧和最内侧轮廓为边界建立完整均匀介质的几何模型，该几何模型内不考虑螺旋管几何结构特点；
[0026]步骤1
‑
2：因多孔介质方法需要对几何简化处理部分定义分布阻力源项，对其几何模型进行简化处理，根据螺旋管螺旋直径、螺旋升角、螺旋管外径等几何参数长度及结构特点决定其分布阻力的大小，因此几何简化过程中还需要根据不同的径向位置将螺旋管束管划分为若干区域，由于螺旋管蒸汽发生器内螺旋管束一般分层布置，因此该部分区域划分中主要以螺旋管径向位置划分区域；
[0027]步骤2：根据步骤1的几何模型简化处理方式，对螺旋管蒸汽发生器中螺旋管区域进行分层建立均匀介质模型，对各层螺旋管束建立多孔介质几何模型，最终获得具有多层均匀介质的液态金属螺旋管蒸汽发生器几何模型；
[0028]步骤3：在步骤2获得的具有多层均匀介质的液态金属螺旋管蒸汽发生器几何模型基础上，对管侧及壳侧计算域的重合部分即螺旋管束换热区采用完全相同的计算节点划分策略；通过控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液态金属螺旋管蒸汽发生器全三维耦合计算及优化方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：根据液态金属螺旋管蒸汽发生器几何特点，对其几何模型进行简化处理：步骤1
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1：首先以液态金属螺旋管蒸汽发生器壳侧区域最外侧和最内侧轮廓为边界建立完整均匀介质的几何模型，该几何模型内不考虑螺旋管几何结构特点；步骤1
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2：因多孔介质方法需要对几何简化处理部分定义分布阻力源项，对其几何模型进行简化处理，根据螺旋管螺旋直径、螺旋升角、螺旋管外径及结构特点决定其分布阻力的大小，因此几何简化过程中还需要根据不同的径向位置将螺旋管束管划分为若干区域，用于添加不同位置阻力模型，保证后续蒸汽发生器进行数值计算结果的准确性；步骤2：根据步骤1的几何模型简化处理方式，对螺旋管蒸汽发生器中螺旋管区域进行分层建立均匀介质模型，对各层螺旋管束建立多孔介质几何模型，最终获得具有多层均匀介质的液态金属螺旋管蒸汽发生器几何模型；步骤3：在步骤2获得的具有多层均匀介质的液态金属螺旋管蒸汽发生器几何模型基础上，对管侧及壳侧计算域的重合部分即螺旋管束换热区采用完全相同的计算节点划分策略；通过控制网格节点保证螺旋管束区域壳侧区域网格节点划分一致性，首先保证管侧与壳侧的几何结构完全一致，然后基于结构化节点划分策略对管侧及壳侧耦合区域分别进行计算节点划分，在节点划分过程中采用的划分流程、相同位置处的节点数、相同位置处的节点分布保持完全一致；步骤4：液态金属螺旋管蒸汽发生器的壳侧流体为高温液态金属流动，二次侧流体为过冷液体至饱和沸腾最终到达饱和蒸汽的两相流动过程，壳侧与管侧之间能量通过螺旋管管壁的导热过程进行传递；壳侧失去能量获得负能量源项，螺旋管内流体得到能量获得正能量源项；在三维能量耦合过程中首先需要获取液态金属螺旋管蒸汽发生器模型内壳侧各节点的负能量源项以及对应的管...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成龙，杨宇鹏，张大林，田文喜，秋穗正，苏光辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：