一种铅铋快堆固相氧控氧化铅溶解数值模拟计算方法技术

本发明专利技术提出一种铅铋快堆固相氧控氧化铅溶解数值模拟计算方法，具体为不同加热温度和流速条件下质量交换器中氧浓度的氧释放量的数值模拟，球床与T型区使用了多面体网格与立方本构关系，其他管道流体使用广义圆柱体网格与QCR二次本构关系，可以在更少的网格数量下获得更为精确的模拟，针对能量传输公式，对普朗特数进行修正，使基于RANS的SST k

【技术实现步骤摘要】
一种铅铋快堆固相氧控氧化铅溶解数值模拟计算方法


[0001]本专利技术属于铅铋反应堆
，具体涉及一种铋快堆固相氧控氧化铅溶解数值模拟计算方法。

技术介绍

[0002]制约第四代铅铋反应堆发展的主要因素是液态铅铋合金对于冷却剂管道的腐蚀，反应堆在低温450℃以下运行时腐蚀速率相对较低，但是将直接导致铅铋反应堆效率的降低。在高温下，液态的铅铋对管道金属的溶解腐蚀和侵蚀效果会更加明显，控制铅铋合金中的氧气浓度，使管道金属表面生成致密的氧化膜，被认为是目前抵御高温液态铅铋腐蚀的有效方法。这种方法需要精确地控制氧气浓度，氧气浓度过低，氧化膜不能稳定存在，而氧浓度过高时又会使铅铋合金快速氧化而使钢结构退化并形成铅氧化物浮渣。固相氧控技术是在主回路上引出一条旁路，旁路中安置的质量交换器(PbO MX)控制通过其中PbO小球冷却剂的流量和温度使氧浓度控制在合理的范围内。为了设计质量交换器需要得到其中的氧浓度分布，质量交换器中是随机堆叠小球组成的复杂流场，在小球壁表面、管道内壁表面直接测量氧气浓度难度很大，故需要建立符合铅铋冷却剂实验回路的固液传质计算流体动力学(CFD)模型。
[0003]目前公开的对于氧传质的模拟都是仅对球床部分，使用的是四面体网格。并且未加入能量方程。然而，液态金属的普朗特数极小，通常在0.01到0.001之间，这意味着液态金属中的热传导机制比动量传递机制更占优势，流动边界层和温度边界层是分开的。对于具有相同速度场的流体，具有较低Pr
t
数的流体将表现出更显著的温度边界层。这将导致基于RANS的湍流模型不适用。而且对球床内部的氧浓度测量难度很大，并且铅铋氧传感器技术还未成熟。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术提出一种可以快速模拟不同加热功率下，铅铋流体的温度以及氧传质能力的方法，具体是模拟在不同加热温度和流速条件下质量交换器中氧浓度的氧释放量的数值模拟方法。针对能量传输使用公式，对普朗特数进行修正，使基于RANS的SST k
‑
ω湍流模型可以模拟液态金属换热。并且球床与T型区使用了多面体网格与立方本构关系，其他管道流体使用广义圆柱体网格与QCR二次本构关系，可以在更少的网格数量下获得更为精确的模拟。
[0005]本专利技术提出了一种铅铋快堆固相氧控氧化铅溶解数值模拟计算方法，包括：
[0006]回路式旁路及质量交换器建模：对固相氧控的质量交换器中的PbO与Al2O3颗粒使用离散单元法随机堆叠填满质量交换器，球体与球体、球体与管道间的点接触近似成直径为球体直径10％的圆柱体后与回路一起建模。抽取堆叠小球与管道之间的流体域部分，氧控装置模拟只包括流体域部分。
[0007]网格生成：为了更好的捕捉堆叠球床中的复杂几何结构面网格，使用四边形主控
的方式生成网格。将球床部分与其他管道分成不同区域分别处理，球床部分与其他管道的接触面网格为共形网格。球床部分指的是堆叠球体以及其存在的圆柱体管道，共形网格部分是球床部分的圆柱体上下进出口平面。在模型中，球床部分对应堆叠球床区，其他管道分为旁支路进出口T型管道区和主旁路流道圆柱型管道区。对于旁支路进出口T型管道区采用多面体网格，T型管道区的竖直圆柱与水平圆柱体的交接线采用线加密。对于圆柱型管道区使用广义圆柱体网格。圆柱型管道区包括主路的圆柱体网格区域和支路的圆柱体网格区域(包括转弯)。因为需要对堆叠球床区的流体域部分进行较为精细的计算，故堆叠球床区使用的是多面体网格，并对堆叠球体壁面和球床进出口与管道交界面进行面加密；堆叠球体壁面是指堆叠球床区的PbO球和Al2O3球的面，球床进出口与管道交界面是指球床部分的圆柱体管道进出口截面，堆叠球体壁面以及球床进出口与管道交界面的网格均采用增强层网格。所有近壁面网格都要按照棱柱层网格处理，以解决近壁面流动问题，包括每个球体的壁面以及管道壁面。棱柱层网格增长率采用双曲正切规则来适应球体之间的微小间隙。采用双曲正切的原因是，球体接触点间隙太小，需要棱柱层厚度不均匀变化，若采用统一的厚度，其在狭小的间隙内无法生成棱柱层。最后进行网格优化，优选地，网格优化循环8次，网格质量阈值设为1。优选网格质量在0.6
‑
1.0的比例占80％，网格可以用于计算，以及计算结果的准确更高。本专利技术的优选实施方式汇总，网格质量在0.9以上占90％。
[0008]流动扩散模型选择：将质量交换器中堆叠球床区流体域部分与其他管道流体域部分分块处理。氧与铅铋液体的流动都使用多相液体组分，湍流模型都选择SST k
‑
ω模型；堆叠球床区流体域部分PbO球体壁面设置为可渗透，内氧浓度为经过流体传热后堆叠球床区球体壁面的温度下铅铋的氧的饱和浓度。由于几何模型中堆叠球床区存在大曲率流动，因此堆叠球床区使用二阶迎风对流格式和立方本构关系；其他管道流体域部分使用QCR二次本构关系。因为对流动的湍流并不需要准确模拟，但需要防止发散，因此打开湍流抑制，并使用全壁面y+处理。对于铅铋液体的湍流施密特数为0.9；能量模型选择分离流体温度模型。
[0009]湍流边界条件设置：湍流边界条件包括进口的质量流速、进出口湍流强度及氧浓度。可直接通过软件进行设置。
[0010]PbO小球壁面氧浓度为饱和氧浓度，即：
[0011][0012]式中：C
s
—边界氧浓度，单位为w.t.％；T—温度，单位为K。
[0013]对于流体工质氧扩散率、密度、热导率、比热、动力粘度使用如下公式：
[0014][0015]式中：D0—氧在LBE中的扩散率，单位为m2/s；R—理想气体常数；T—温度，单位为K。
[0016]ρ＝11096
‑
1.3236T
[0017]式中：ρ—密度，单位为kg/m3；T—温度，单位为K；
[0018][0019]式中：λ—热导率，单位为W/(m
·
K)；T—温度，单位为K；
[0020]c
p,LBE
＝160
‑
0.0239T
[0021]式中：c
p,LBE
—比热，单位为J/(kg
·
K)；T—温度，单位为K；
[0022][0023]式中：η—动力粘度，单位为Pa
·
s；T—温度，单位为K。
[0024]能量传热边界条件设置：在堆叠球床，管道外有加热装置，按实际设置温度输入加热功率；其他管道外包裹有保温层，热通量以实际测量为准。
[0025]对于铅铋等液态金属，其普朗特数过小，在雷诺应力平均中会存在热边界层无法准确描述的缺陷，因此需要对铅铋的普朗特数进行修正，公式如下：
[0026][0027]式中：Pr
t
—普朗特数；v
t
—运动粘度，单位为m2/s；ν—湍流粘度，单位为m2/s。
[0028]SIMPLE稳态运行，直到旁路流量、旁路平均氧浓度及出口平均氧浓度稳定，然后计算溶解数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铅铋快堆固相氧控氧化铅溶解数值模拟计算方法，包括：回路式旁路及质量交换器建模：对固相氧控的质量交换器中的PbO与Al2O3颗粒使用离散单元法随机堆叠填满质量交换器，球体与球体、球体与管道间的点接触近似为直径为球体直径10％的圆柱体后与回路一起建模；氧控装置模拟只包括堆叠小球与管道之间的流体域部分；网格生成：使用四边形主控方式生成网格，将球床部分与其他管道分成不同区域分别处理，球床部分与其他管道的接触面网格为共形网格；球床部分对应堆叠球床区，其他管道分为旁支路进出口T型管道区和主旁路流道圆柱型管道区；流动扩散模型选择：氧与铅铋液体的流动都使用多相液体组分，湍流模型都选择SST k
‑
ω模型；堆叠球床区流体域部分PbO球体壁面设置为可渗透，内氧浓度为经过流体传热后堆叠球床区球体壁面的温度下铅铋的氧的饱和浓度；堆叠球床区使用二阶迎风对流格式和立方本构关系；其他管道流体域部分使用QCR二次本构关系；打开湍流抑制，并使用全壁面y+处理；湍流边界条件设置，包括设置进口的质量流速、进出口湍流强度及氧浓度；能量传热边界条件设置：在堆叠球床区按实际设置温度输入加热功率；其他管道热通量以实际测量为准；直到旁路流量、旁路平均氧浓度及出口平均氧浓度稳定，则SIMPLE稳态运行，然后计算溶解数值。2.根据权利要求1所述的一种铅铋快堆固相氧控氧化铅溶解数值模拟计算方法，其特征在于：所述球床部分指堆叠球体以及其存在的圆柱体管道，所述共形网格部分是球床部...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴浩，朱玉琦，谢宛均，吴伟豪，梁瑞仙，李辉，牛风雷，刘芳，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：