《波动管三通流场与换热的三维数值模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波动管三通流场与换热的三维数值模拟（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2 006 年1 0 月 核动力工程 N u c l e a rP o w e rE n g i n e e r i n gO c t 2OO6 波动管三通流场与换热的三维数值模拟 蒋兴，张明，姚伟达 ( 上海核工程研究设计院) 擒要：采用流固耦合求解的方法，应用C F X - 5 7 程序建立了波动管三通三维流动计算模型和标准k - 占湍 流模式，求解核电厂升温过程中波动管三通的流场和温度场在各个瞬态的分布以及每个瞬态的换热系数，并 与用管道内热交换试验关联式得到的稳态换热结果比较，符合较好。从而证明了采用三维流场和换热数值模 拟的有效性和准确性。 关键词：核电厂；波动管三通；数值模拟；换热
2、系数 1 引言 核电厂主系统的波动管三通位于稳压器波动 管和反应堆冷却剂管道相连的位置。由于波动管 三通在核电厂寿期内承受着各瞬态工况下的压力 和温度波动，需要对结构在正常、异常和试验工 况条件下进行疲劳分析，因此，分析计算波动管 三通各个瞬态工况下的三维流场分布和换热系数 是必要的。本文在升温瞬态工况下，对波动管的 三通流场与换热进行了三维数值模拟。 2 数学模型 2 1 流体动力学方程【1 】 在波动管三通流场和换热系数的计算中，设 流体是粘性不可压缩的湍流流动，计算采用标准 k - 占湍流模式进行。在此湍流模式中，连续性方 程、动量方程和能量方程张量表达式分别如下 警+ 昙妇。) = o
3、 ( 1 ) 5 v，、 昙( 州+ 丢b 即) = 一寿+ 毒卜考一厕 + & 圆苏i 瓠J 融j jI j 1 l 一 挈+ 警= 计a x 考一p 矿卜 西 反，I锄，。J 式中，P 为流体密度；U f 和“疋和取值1 、2 、 3 ) 分别为流体在空间三个垂直方向上的速度；墨 和x ，( j 和_ ，取值1 、2 、3 汾别为流体空间的3 个 方向；P 为压力；T 为温度；& 为广义源项；S 为 粘性耗散项。 加上与k 和占相对应的运输方程张量表达式 塑a t + 倒c 3 x i = 考l ( + 纠O k 筹I 锄小。J 苏，l + q + G 6 一p 占一+ S t ( 4 )
4、 塑a t + 掣c 3 x j 钏考I 钆 J I + 导仅+ C 3 。G ) 一C 2 。p 睾+ 以( 5 ) 式中，G 七为由于平均速度梯度引起的湍动能k 的 产生项；G b 为由于浮力引起的湍动能k 的产生项； 功代表可压湍流中脉动扩张的贡献；C I 。、c 2 。和 G 。为经验常数；O k 和1 7 ，分别是与湍动能k 和耗 散率F 对应的P r a n d t l 数；和疋用户定义的源 项。 2 2 固体内温度方程【2 J 固体内的热传导方程为 4 窘+ 害+ 窘 = q + p o c P o c p 詈c 6 ，1 萨+ 矿+ 可J 百( 6 ) 式中，A 为固体的导热系
5、数；T 为固体温度；q 为固体内的热源；G 为等压比热容；Po 为固体密 度。 2 3 流固热交换方剥2 】 流体与固体之间的对流换热系数为 ：一三到( 7 ) 7 。加I ， 式中，( a r a ) t 为与流体交界的固体壁面法线方 向上的流体温度变化率；五为流体的导热系数； r 为换热面上的温差。 蒋兴等：波动管三通流场与换热的三维数值模拟 3 计算模型及网格划分 波动管为三通结构，冷却剂主管道内径 0 7 m ，壁厚0 0 7 2 5 m ，主管道长度取沿波动管中 心线左右各0 7 m 。波动管内径O 1 9 9 m 。壁厚 0 0 3 7 m ，管长取0 3 5 m 。整个流体和固体
6、区域的 网格统一划分，采用四面体加上菱柱体单元，共 4 9 7 0 7 5 个节点和1 7 5 4 5 2 5 个单元，其中四面体单 元为1 2 4 4 3 0 9 个，菱柱单元为5 1 0 2 1 6 个。 4 输入参数 4 1 流体和固体的性质 计算区域流体设为不可压缩湍流，采用k - 占 湍流模式，电厂升温时温度和压力随时间变化， 流体密度设为常数。 计算时流体参数为：初始温度T = 6 0 。C ； 初始压力P = 3 M P a ；流体密度, o f = 9 8 4 4 5 k g m 3 ；等压比热容c p = 4 1 8 1 J ( k g K ) ； 动力粘性系数随温度和压力变
7、化。 管道的材料是奥氏体不锈钢，其主要物理参 数如下：管道直径1 9 = 0 7 m ；管道密度以= 7 8 5 4 K g m 3 ；导热系数2 , = 1 4 4 W ( m K ) ；管 道初始温度r = 2 5 。 4 2 边界条件 采用流固耦合的方法来进行计算，固体外壁 面定为无滑移和绝热边界条件，与流体接触的内 表面和流体进行换热。冷却剂主管道入口给的是 速度进口条件v = 1 2 9 m s ，根据电厂升温时瞬态曲 线，在波动管处定的是流量进口条件。主管道出 口定为压力边界条件P = - 3 M P a 。 5 计算结果 x 为沿主管道长度方向，Z 为沿波动管长度 方向，它们分别
8、表示了在某个瞬态沿x 方向截面 上的速度、温度分布以及三通的换热系数分布。 图1 反映了三通流体与固体交界面上的换热系数 的瞬态分布；图2 为波动管局部内表面换热系数 的瞬态分布。 6 结果分析 对于主管道，将各个瞬态分析得到的换热系 数同经验关系式获得的进行比较，工程计算中常 用的迪图斯一贝尔特( D i t t u s - B o e l t e r ) 经验式为： N u ，= 0 0 2 3 R e 。J 尸毋4 ( 8 ) 式中，尬：旦， ，为管内流体平均速度；d 为管 D 内径；为流体动力粘性系数。换热系数为 ，彳 。h = ( 9 ) 图l三通在流体与固体交界面上的换热系数分布
9、图2 波动管在流体与固体交界面上的换热系数分布 ( 下转第9 8 页) 9 8核动力工程2 0 0 6 年1 0 月 i nR e a c t o r T e c h n o l o g y , S t u t t g a r t , G e r m a n y , 1 9 9 1 【5 】鲁亮，吕西林，钱江快堆流体参量的动力相似关系 和模型振动台试验研究【J 】结构工程师( 增刊) 2 0 0 1 ， 1 1 【6 】居荣初，曾心传弹性结构与液体的耦联震动理论【M 】 北京：地震出版社1 9 8 3 4 0 - 7 0 【7 】S a k u r a i 丸M a s u k o 、I s
10、h i h a m aK e ta 1 E P R I C R I E P I J o i mP r o g r a mo nS e i s m i cS l o s h i n go fL M RR e a c t o r ： P a r tI E x p e d m e n t s C T r a m o ft h e9 t hI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo nS U - u c t u r a lM e c h a n i c si nR e a c t o rT b c h n o l o g y , L a u s a n
11、 n e , S w i t z e r l a n d , 1 9 8 7 ( 上接第8 3 页) 式中，N u l 为努赛尔数。将流体动力学软件C F X 计算的结果与( 9 ) 式计算进行比较( 见表1 ) ，由于波 动管内的流量和流速要远小于主管，因此，这里 用经验公式计算主管道的换热系数时可将波动管 流动的影响忽略。从表l 中可以看出误差在允 许的范围之内。 7 结论 波动管三通是核电厂一回路中位于冷却剂主 管道与稳压器波动管相连接处。本文采用大型流 体动力学软件C F X 对波动管三通在核电厂升温 瞬态工况下进行了流场与换热的三维数值模拟， 获得了波动管三通流体与固体交界面上的换热
12、系 数的瞬态分布，为波动管三通进行疲劳分析提供 了输入数据。同时对三通的设计也具有L 定的参 考价值。 表1 主管道换热系数计算值与实验值比较 时间m经验关系式计算结果I | lC F X 计算结果 2误差， t = 0 2 3 5 1 8 _ 3 2 4 5 4 2 24 4 t = l 2 8 9 9 7 13 1 4 8 4 48 6 t = 23 4 5 8 2 13 簖5 2 71 1 2 t = 3 3 8 6 8 8 14 0 1 6 8 13 8 t = 4 4 6 1 3 5 84 1 7 3 4 47 4 参考文献： 【1 】1 王福军计算流体动力学分析【北京：清华大学出 版社，2 0 0 4 【2 】杨世铭陶文铨。传热学【M 】北京：高等教育出版社， 1 9 9 8
