首页/文章/ 详情

FLUENT液态金属钠流动与传热模拟

5月前浏览7356
正文共: 2250字 10图    预计阅读时间: 6分钟

1 前言

目前,全球范围内新建的核电项目基本上采用的都是第三代核电技术,第四代核电技术研究也在如火如荼地进行着。钠冷快堆(SFR)、铅冷快堆(LFR)等一共有六种技术路线被纳入第四代核电技术。液态金属作为一回路冷却介质,其流动与传热特性研究对于燃料组件包壳温度计算具有重要意义。液态金属导热系数通常很大,因此其热扩散与动量扩散相比要大得多,在液态金属湍流传热时基于忽略分子导热的适用于普通流体(普朗特数Pr>0.5,Pr=Cpμ/λ)的相似准则已不适用。几种重要的液态金属的普朗特数从0.01~0.06不等,与传统流体(如水)相比,液态金属的湍流普朗特数Prt较大,且随Pr的变化敏感。研究表明,采用RANS湍流模型计算液态金属的流动换热时,Prt对计算结果的影响很大[1]。之前我们做过一个简单的铅铋流动与传热计算,今天我们以液态金属钠为例,继续深入探讨一下液态金属流体的流动与传热模拟要点。

2 建模与网格

创建如下二维轴对称管道模型,管子内径Φ35.3mm,长度1000mm。划分四边形结构化网格,节点数7000,注意要控制Y+处于合适的范围与选用的湍流模型相匹配,本案例我们选用标准k-e湍流模型,因此Y+尽可能控制在30-300左右(画网格与计算存在迭代)。

3 边界条件与求解设置

金属钠的热物性参数(密度、导热系数、粘度、比热)采用参考文献[2]的模型(如下图),采用UDF进行修改,代码在文末,编译使用,有偿获取。

采用标准k-e湍流模型,壁面采用标准壁面函数。对于湍流普朗特数的修改,可以直接在模型常数面板输入,也可以通过DEFINE_PRANDTL宏系列修改,而当采用后者时,模型常数面板对应的湍流普朗特数会消失。
这里我们补充一些关于湍流普朗特数的说明,对于标准k-e湍流模型,k和ε输运方程如下4.39和4.40,各自都有一个湍流普朗特数默认值分别为1和1.3,如前文所述,这两个常数适用于普通流体,在模型常数面板位置如下图。
湍流流动传热方程如下4.38,能量普朗特数以及模型常数设置面板的位置如下图,默认值0.85,同样地,这两个常数适用于普通流体。
另外,在处理壁面的传热时还有一个壁面普朗特数,默认值为0.85,模型常数设置面板的位置如下图。
管道入口为速度入口,速度值0.1~2m/s不等,适配不同的Pe数,温度463.15K。这里补充说明一下Pe数,Pe数定义为物理量的对流输运速率与扩散输运速率之比,对于传热问题,Pe数等于雷诺数乘以普朗特数(Pe=RePr),注意本案例在计算Pe数时采用的是入口参数。入口湍流参数采用湍流强度和水力直径定义。

4 计算结果

入口速度0.3m/s,温度463.15K,壁面热流密度100000W/m2,液态金属钠的各物性参数分布如下图,可以看出UDF自定义物性参数得到调用。
采用默认的湍流普朗特数和采用参考文献[1]的湍流普朗特数时,管道的努塞尔数计算值以及参考文献[1]实验拟合值对比如下,可以看出,默认的湍流普朗特数计算的努塞尔数更偏离实验拟合值,而修正后的结果与实验拟合值更接近。这里为了和参考文献结果对比,采用如下方法计算努塞尔数:以壁面平均温度(面积加权)和流体平均温度(体积加权)之差计算对流换热系数,特征长度为管道水力直径,导热系数取流体平均导热系数(体积加权)。

参考文献

[1] 液态金属钠在圆管内传热特性数值模拟研究
[2] Numerical investigation on heat transfer characterization of liquid lithium metal in pipe
[3] Consideration on nusselt numbers of liquid metals flowing in tubes
本案例的UDF代码


来源:仿真与工程
ACTFluentUDF湍流UM控制InVESTMETA管道
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-07-12
最近编辑:5月前
余花生
签名征集中
获赞 202粉丝 388文章 310课程 0
点赞
收藏
作者推荐

系统层级水力计算的板式换热器模拟

正文共: 2100字 11图 预计阅读时间: 6分钟1 前言板式换热器由于换热效率高、体积紧凑等特点,工程上得到了普遍的应用。在系统进行水力设计计算时,板式换热器通常是简化成局部阻力件,即用一个局部阻力系数来计算压损。这种在常规的热力系统是可行的,所谓常规指的是管道阻力和设备阻力可以分别用沿程阻力和局部阻力公式来计算。在形状结构上表现为管道的长度和直径比很大(30倍以上)。假如系统结构很紧凑,设备之间的连接管道很短,这时候设备和管道基本上可以视为一个成套设备,这种情况下,采用公式计算阻力来实现水力设计(比如流量配平)就不合适了。相对来说,采用CFD方法来计算就非常合适了。在计算资源允许的情况下,将这个成套设备所有关键特征建模成型就可以获得相对准确的结果。对于常规的管道、管径,按照真实几何建模即可。但是对于复杂的设备,比如板式换热器,里面有数量庞大的小流道,几何尺寸跨度从毫米到米的级别,按照真实几何建模就困难了。这种情况下,就需要采用一些特殊的手段来模拟,本案例来讨论一下这个问题,内容偏向于工程应用,需要有偿阅读,读者朋友根据实际需求决定阅读与否。本案例详细介绍了该问题的处理方法,并用一个实际案例进行演示。2 方法论来源:仿真与工程

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈