FLUENT液态金属钠流动与传热模拟
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
