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FLUENT液态金属钠流动与传热模拟

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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
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首次发布时间:2024-07-12
最近编辑:3月前
余花生
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