一种液态金属热分层特性的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种液态金属热分层特性的计算方法，属于液态金属冷却核反应堆热工水力领域，解决了传统雷诺比拟假设方法计算液态金属热分层特性的数值精度不佳的问题。本发明专利技术方法通过引入热膨胀系数和浮力关联项有效地将一阶两方程湍流模型和一阶两方程换热模型相结合，从而建立起适配液态金属低普朗特数浮力主导流动传热计算的高保真三维流动传热分析平台。该方法使用先进的一阶两方程换热模型修正液态金属的湍流热扩散计算，同时将液态金属湍流热扩散的输运特性通过浮升力反馈至一阶两方程湍流模型，从而获得液态金属在某些浮力主导流动状态下的热分层传热特征，尤其是在自然对流和混合对流工况下。然对流和混合对流工况下。

【技术实现步骤摘要】
一种液态金属热分层特性的计算方法


[0001]本专利技术属于液态金属冷却核反应堆热工水力领域，具体涉及一种液态金属热分层特性的计算方法。

技术介绍

[0002]液态金属(如铅、铅铋合金、钠、钠钾合金等冷却剂)中子吸收截面小、导热系数高、自然循环潜能大，是第四代反应堆中的铅冷快堆和钠冷快堆以及先进加速器驱动次临界反应堆的主选冷却剂，可进一步提升核反应堆的可持续性、安全性及经济性。然而液态金属冷却核反应堆往往伴随着由高温度梯度和大密度差引起的热分层现象，并伴随热振荡的产生，这使得全工况下反应堆堆腔或管道内面临着由温度波动引起的设备热疲劳损坏、冷却剂流量振荡、阻碍事故工况下堆芯自然循环重新建立等潜在威胁。因此，准确掌握液态金属在反应堆内的热分层特性对科学评估液态金属冷却核反应堆的安全性具有重要意义。
[0003]然而如图1和图2所示，液态金属具有强烈的低普朗特数(Pr)流动传热特征，其热边界层厚度(δ
h
)远大于其速度边界层厚度(δ
v
)。液态金属具有的强分子导热作用在多数流动工况下可能影响至湍流核心区域，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液态金属热分层特性的计算方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：基于OpenFOAM内嵌的适用于不可压缩和可压缩流体浮力湍流的单相流动传热求解器，建立用户自定义单相流动传热求解器；步骤2：在用户自定义单相流动传热求解器中的场创建文件中，定义一阶两方程湍流模型、一阶两方程换热模型及浮力项相关变量，包括：速度u
i
、湍流运动黏度ν
t
、湍动能k及其耗散率ε、湍流热扩散系数α
t
、温度脉动k
θ
及其耗散率ε
θ
、流体热膨胀系数β；调用热物性函数库中的相关变量，包括：温度T、压力P、流体密度ρ、流体比热容C
p
、流体导热系数λ、流体分子运动黏度ν；步骤3：在求解动量方程文件中，不采用内嵌湍流模型调用函数，引入速度u
i
、分子运动黏度ν和湍流运动黏度ν
t
、流体密度ρ相关联的拉普拉斯项，为调用自定义一阶两方程湍流模型提供输入接口，求解的动量方程如下：其中：t为流动时间，u
i
和u
j
为速度分量，x
i
和x
j
为三维坐标分量，ρ为流体密度，ν为流体分子运动黏度，ν
t
为流体湍流运动黏度，P为流体压力，g
i
为重力加速度分量；步骤4：在求解能量方程文件中，不采用内嵌有效热扩散系数调用函数，引入比焓h、分子热扩散系数α和湍流热扩散系数α
t
、流体密度ρ相关联的拉普拉斯项，为调用自定义一阶两方程换热模型提供输入接口，求解的能量方程如下：其中：α为流体分子热扩散系数，α
t
为流体湍流热扩散系数，h为比焓，K为比动能；步骤5：保留使用基于SIMPLE算法的压力泊松方程求解文件，求解流体的连续性方程如下：步骤6：不调用OpenFOAM内嵌湍流模型和壁面函数，定义求解湍动能耗散率ε和温度脉动耗散率ε
θ
的壁面边界条件文件，然后添加更新湍动能耗散率ε和温度脉动耗散率ε
θ
的壁面
边界值的程序段，该程序段实现如下关系：对于无滑移壁面，湍动能k及其耗散率ε在壁面上满足：对于恒温壁面，温度脉动k
θ
及其耗散率ε
θ
在壁面上满足：其中：下标w代表该变量在壁面上的值，δ为离开壁面的距离；具体步骤如下：步骤6
‑
1：分别建立等式(4)和等式(5)等号右边的体积标量场；步骤6
‑
2：根据输入计算网格，定义存放壁面网格中心坐标值的变量；步骤6
‑
3：分别获取步骤6
‑
1建立的体积标量场在壁面上的值，然后获取湍动能耗散率ε和温度脉动耗散率ε
θ
在壁面上的值；步骤6
‑
4：遍历步骤6
‑
2获取的壁面网格中心坐标变量，依次将步骤6
‑
3获取的体积标量场在壁面上的值赋予给步骤6
‑
3获取的湍动能耗散率ε和温度脉动耗散率ε
θ
在壁面上的值；步骤7：建立求解一阶两方程湍流模型的程序文件，包括如下考虑浮升力效应的一阶两方程湍流模型：ν
t
＝C
u
f
u
kτ
uuuu
其中：C
u
、σ
k
、σ
ε
、C
ε1
、C
ε2
为模型系数；τ
u
＝k/ε为动力时间尺度；R
t
＝k2/(νε)为湍流雷诺数；R
ε
＝δu
ε
/v为特征雷诺数，u
ε
＝(vε)
0.25
为Kolmogorov速度尺度；为湍动能产生项，为雷诺应力项；f
ε
＝{1
‑
0.3exp[
‑
(R
t
/6.5)2]}[1
‑
exp(
‑
R
ε
/3.1)]2为湍动能耗散项阻尼函数；为浮升力产生项，β为热膨胀系数；
为沿重力方向上的速度分量值，为重力矢量，为速度矢量；为沿非重力方向上的速度分量值；步骤8：建立求解一阶两方程换热模型的程序文件，包括如下适用于液态金属低普朗特数流动传热的一阶两方程换热模型：α
t
＝C
λ
f
λ
kτ
uuuuu
其中：C
...

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