铅铋在管内流动过程中发生凝固的一维计算方法技术

本发明专利技术公开了一种铅铋在管内流动过程中发生凝固的一维计算方法，包括以下步骤：通过假定凝固层的存在并计算进出凝固层的热量差值来判断流体是否达到凝固条件；在达到凝固条件的基础上，通过能量方程计算单位时间步长内的凝固质量增长从而得到每个控制体的凝固参数进而计算凝固层的增长量；更新流道参数并采用焓

【技术实现步骤摘要】
铅铋在管内流动过程中发生凝固的一维计算方法


[0001]本专利技术属于核反应堆热工水力计算
，具体设计一种铅铋在管内流动过程中发生凝固的一维计算方法。

技术介绍

[0002]铅铋反应堆具有固有安全性好、能量密度高、运行寿期长等优势，是第四代核能系统六种优选堆型之一。在反应堆关闭、维护期间，以及二次系统或紧急冷却系统过冷时或者正常运行过程中都可能发生铅铋冷却剂的凝固，凝固导致的流道几何形状的变化以及冷却剂温度之间的相互作用可能造成自然循环的整体不稳定性，同时，铅铋凝固后的体积膨胀也可能产生机械应力作用于对内结构，对反应堆的安全运行造成威胁。因此对铅铋在管内流动过程中发生凝固的现象进行研究是非常有必要的。目前对铅铋流动凝固的研究不多，这些研究大多建立的是三维的计算模型，三维计算模型相对于一维计算模型优势在于可以通过划分更多更全面的控制体来简化理论模型，但是这也意味着其计算资源需求量大。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种铅铋在管内流动过程中发生凝固的一维计算方法，该方法能够运用计算流体力学和数值传热学手段对管内铅铋发生流动凝固的现象进行研究计算,建立一维的流动凝固计算方法，有利于在节省计算资源的同时能更为准确的研究凝固问题对系统级参数的影响，从而为工程设计与性能优化提供未来发展方向。
[0004]铅铋在管内流动过程中发生凝固的一维计算方法，能够分析铅铋在流动过程中凝固后的温度和流量变化以及凝固层的增长情况，具有方便操作，计算准确的优点；
[0005]包括以下步骤：
[0006]步骤1：假定凝固层的存在并计算进出凝固层的热量差值来判断流体是否达到凝固条件，具体步骤如下：
[0007]步骤1
‑
1：将壁面温度与铅铋的固相线温度进行比较，铅铋在管内流动发生凝固的第一层条件为铅铋所在的管道的壁面温度不高于铅铋的固相线温度，即：
[0008]T
w
≤T
s
ꢀꢀ
(1)
[0009]其中：
[0010]T
w
——壁面温度，K；
[0011]T
s
——铅铋固相线温度，K；
[0012]当未满足第一层条件则直接跳至步骤3
‑
2，当满足第一层条件则跳至步骤1
‑
2；
[0013]步骤1
‑
2：在第一层条件满足的情况下，继续进行第二层凝固条件的判定：首先假定管道的壁面附着一块凝固层，对于该凝固层，单位时间步长内进出凝固层的热量差需要满足该凝固层由流体铅铋凝固成固体铅铋所产生的内能变化；在一个时间步长内，流体发生凝固将会伴随内能的损失，因此流出凝固层的热量一定要大于进入凝固层的热量；对于该假定的凝固层，进入的热量来自于流体的对流换热，流出的热量来自于凝固层对壁面的
换热，因此第二层判定条件为：
[0014]q
out
‑
q
in
＞0
ꢀꢀ
(2)
[0015]q
out
＝h
wall
A
s
(T
sw
‑
T
w
)
ꢀꢀ
(3)
[0016]q
in
＝hA
f
(T
f
‑
T
s
)
ꢀꢀ
(4)
[0017]其中：
[0018]q
out
——单位时间步长流出凝固层的热量，J/s；
[0019]q
in
——单位时间步长进入凝固层的热量，J/s；
[0020]h
wall
——凝固层与壁面的换热系数,W/(m2·
K)；
[0021]A
s
——凝固层与壁面的接触面积，m2；
[0022]T
sw
——凝固层近壁面温度，K；
[0023]h——流体与凝固层的换热系数，W/(m2·
K)；
[0024]A
f
——流体与凝固层的接触面积，m2；
[0025]T
f
——流体温度，K；
[0026]在凝固起始阶段，假设：
[0027]A
f
＝A
s
ꢀꢀ
(5)
[0028]T
sw
＝T
s
ꢀꢀ
(6)
[0029]当未满足第二层条件则直接跳至步骤3
‑
2，当满足第二层条件则跳至步骤2；
[0030]步骤2：在判定流体铅铋满足发生凝固的条件后，通过能量方程计算单位时间步长内的凝固质量增长从而得到每个控制体的凝固参数进而计算凝固层的增长量，具体步骤如下：
[0031]步骤2
‑
1：首先计算单位时间步长下的流体铅铋凝固过程中的内能损失，整个凝固过程中的内能变化包括三个部分：流体铅铋降温至凝固点的内能损失ΔU1、流体铅铋转化为固态铅铋的内能损失ΔU2、固态铅铋降温的内能损失ΔU3，具体为：
[0032][0033][0034][0035][0036]其中：
[0037]C
p,f
——液态铅铋定压比热容，J/(kg
·
℃)；
[0038]m
s
——铅铋凝固质量，kg；
[0039]L——铅铋融化潜热，J/kg；
[0040]T
m
——凝固铅铋温度，℃；
[0041]之后对凝固层列能量方程解出每一时间步长的凝固质量增长，即：
[0042][0043]步骤2
‑
2：计算出单位时间步长的凝固质量增长后，假定每一个控制体内的凝固层厚度一致，即能根据密度和管道参数计算得出单位时间步长内每个控制体内的凝固层厚度增长；
[0044]步骤3：更新流道参数并采用焓
‑
多孔介质模型来对剩余流体域的基本参数进行计算，具体步骤如下：
[0045]步骤3
‑
1：将步骤2
‑
2中计算得出的单位时间步长内增长的凝固层视为壁面，将凝固层温度拓展为壁面温度，以此来更新管道流道参数；
[0046]步骤3
‑
2：对于剩余流体域，考虑糊状区的问题，使用焓
‑
多孔介质模型，即对于能量方程，在显焓的基础上考虑潜热总和成总焓计算，对于动量方程，按多孔介质处理糊状区来添加源项，具体的焓方程如下：
[0047]H
add
＝h
sen
+ΔH
ꢀꢀ
(12)
[0048][0049]ΔH＝βL
ꢀꢀ
(14)
[0050][0051]其中：
[0052]H
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.铅铋在管内流动过程中发生凝固的一维计算方法，其特征在于：提出一种铅铋流动凝固一维计算方法，能够分析铅铋在流动过程中凝固后的温度和流量变化以及凝固层的增长情况，具有方便操作，计算准确的优点；包括以下步骤：步骤1：假定凝固层的存在并计算进出凝固层的热量差值来判断流体是否达到凝固条件，具体步骤如下：步骤1
‑
1：将壁面温度与铅铋的固相线温度进行比较，铅铋在管内流动发生凝固的第一层条件为铅铋所在的管道的壁面温度不高于铅铋的固相线温度，即：T
w
≤T
s
ꢀꢀ
(1)其中：T
w
——壁面温度，K；T
s
——铅铋固相线温度，K；当未满足第一层条件则直接跳至步骤3
‑
2，当满足第一层条件则跳至步骤1
‑
2；步骤1
‑
2：在第一层条件满足的情况下，继续进行第二层凝固条件的判定：首先假定管道的壁面附着一块凝固层，对于该凝固层，单位时间步长内进出凝固层的热量差需要满足该凝固层由流体铅铋凝固成固体铅铋所产生的内能变化；在一个时间步长内，流体发生凝固将会伴随内能的损失，因此流出凝固层的热量一定要大于进入凝固层的热量；对于该假定的凝固层，进入的热量来自于流体的对流换热，流出的热量来自于凝固层对壁面的换热，因此第二层判定条件为：q
out
‑
q
in
＞0
ꢀꢀ
(2)q
out
＝h
wall
A
s
(T
sw
‑
T
w
)
ꢀꢀ
(3)q
in
＝hA
f
(T
f
‑
T
s
)
ꢀꢀ
(4)其中：q
out
——单位时间步长流出凝固层的热量，J/s；q
in
——单位时间步长进入凝固层的热量，J/s；h
wall
——凝固层与壁面的换热系数,W/(m2·
K)；A
s
——凝固层与壁面的接触面积，m2；T
sw
——凝固层近壁面温度，K；h——流体与凝固层的换热系数，W/(m2·
K)；A
f
——流体与凝固层的接触面积，m2；T
f
——流体温度，K；在凝固起始阶段，假设：A
f
＝A
s
ꢀꢀ
(5)T
sw
＝T

【专利技术属性】
技术研发人员：王成龙，袁蓝飞，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：