FLUENT海洋条件下自然循环流动分析（一）

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1 前言

随着船舶核动力技术的发展，人们开始系统地研究海洋条件对反应堆热工水力特性的影响。海洋浮动核动力装置不同于陆上固定核动力装置，洋面由于时刻处于运动中，核动力装置实质上也在不停的运动，这就使其热工水力特性有别于陆上。在海洋条件下，船舶的基本运动形式为：平动、升降（或称升潜）及摆（横摇和艏摇），实际的运动状态可能耦合了其中的几种。在这些运动下，流体除了受到重力加速度影响外，还可能受到平动加速度、角加速度、向心加速度以及科氏加速度（相关知识需要脑补运动学和动力学原理），这些额外的加速度引起了附加的惯性力从而影响流体的流动，特别是自然循环流体。其基本原理如下：

建立非惯性坐标系Oxyz（船舶）和惯性坐标系Ox’y’z’（地球），假设非惯性坐标系相对于惯性坐标系同时作平动和转动（通常将旋转中心设在非惯性坐标系的原点上），流体质点在非惯性坐标系Oxyz的径向量为r=xi+yj+zk。

在非惯性坐标系下的动量方程还应该考虑附加的加速度项a。

今天，我们做一个海洋条件下，自然循环回路的流动特性分析案例。

2 建模与网格

建立如下的二维平面自然回路模型（注：坐标原点位于右下角），流道直径100mm，回路外轮廓1000mm×1000mm，左下角和右上角分别有一段热源壁面和冷源壁面，长度均为100mm。划分四边形结构化网格，节点数19404，最小正交质量0.999。为了方便后续监测回路的流量变化，在回路的适当位置创建一个内部面。

3 边界与求解设置

设置介质为液态水。

本案例假设回路绕着原点作横摇运动（如下图），最大横摇角度30°，横摇周期10s，则横摇角度、角速度和角加速度的关系式如下：

附加惯性力通过UDF源项施加到动量方程中，注意本案例将重力加速度和其他额外加速度共同作为动量源项施加，因此可以不用开启重力加速度。当然，也可以将额外的加速度和重力加速度的和加速度通过UDF的DEFINE_ADJUST宏修改软件的重力加速度，这样就不需要添加动量源项了，这种方法的UDF代码相对复杂一些，就不在本案例细说了。本案例的UDF代码及详细的中文说明放在文末付费阅读环节，请各位读者海涵。