Fluent液态铅铋合金对流换热数值模拟

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1 前言

核电是我国能源实现可持续发展战略的重要保证，但是核能发电过程中产生的大量乏燃料的处理已经成为制约核电快速可持续发展的关键问题[1]。加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven subcritical System，ADS）是可以解决核废料的装置，被国际公认为最有前景的核废料处理技术[2]。ADS在运行过程中会产生非常多的热量，必须具有高效且稳定的二回路冷却系统。与水和碱金属等冷却剂相比，液态铅铋合金（Lead-Bismuth Eutectic, LBE）具有低熔点，高沸点，较好的中子性能和良好的自然循环能力的突出有点，是目前ADS系统设计中散裂靶和回路冷却剂的首选材料[3]。液态金属铅铋由于特殊的热物性质（如低普朗特数、高热导率等），其流动边界层与热边界层已不在一个量级，流动换热特性已与水、空气等常见工质有很大不同[4]。一般液体的流动，因其导热系数较小，故热边界层和流动边界层的发展几乎是同步的。而以铅铋合金为例的液态金属，其导热系数较高，在传热过程中分子导热的成分更大，因此，在液态金属中会出现流动边界层与热边界层相分离的现象。将湍流普朗特数取为１已不再适合液态铅铋合金的流动。因此需构建湍流普朗特数模型，以更好地与液态合金的传热特性相适应[5]

本案例是基于FLUENT进行LBE模拟的简单演示。

2 建模与网格

建立二维旋转对称圆管模型，管子直径60mm，管长919mm，中间为直径8.2mm的加热棒，其中有59mm的入口段未加热，其余的长度上施加90.3e4W/m²的热功率密度[6]，管外壁为绝热壁面。划分四边形网格，控制y+在30~65之间。

3 求解计算

采用标准k-e湍流模型，本案例采用默认的湍流普朗特数，感兴趣的读者可以按参考文献里面提到的模型试算一下[4-7]。

采用UDF按如下方法设置LBE物性参数，代码如下

  #include "udf.h"
DEFINE_PROPERTY(LBE_lamda, c, t)
{
real cond;
real temp=C_T(c,t);
cond=6.851+temp*10.147e-3;
return cond;
}
DEFINE_PROPERTY(LBE_mu, c, t)
{
real mu;
real temp=C_T(c,t);
mu=exp(741/temp)*0.497e-3;
return mu;
}
DEFINE_SPECIFIC_HEAT(LBE_cp,T,Tref,h,yi)
{
real cp;
cp=160-T*2.385e-2;
*h=cp*(T-Tref);
return cp;
}
DEFINE_PROPERTY(LBE_rho, c, t)
{
real rho;
real temp=C_T(c,t);
rho=11113-1.75*temp;
return rho;
}

入口LBE温度572K，速度0.786m/s，在距离入口0.78m位置径向方向上的速度分布以及温度分布和文献实验值对比如下，本次计算看来，采用默认的0.85湍流普朗特数似乎无伤大雅，和实验结果还是比较贴合的。

参考文献

[1]郭晗，等. 我国核电钻退役应考虑的几个问题

[2]赵志祥，等. 加速器驱动次临界系统（ADS）与核能可持续发展

[3]付琦. 液态铅铋合金对流换热数值模拟及机理研究

[4] PACIO J, et al. Heat transfer to liquid metals in a hexagonal rod bundle with grid spacers: Experimental and simulation results

[5]王琛, 等. 液态铅铋合金管内流动传热特性研究

[6] Roman Thiele, et al. Numerical modeling of forced-convection heat transfer to lead–bismuth eutectic flowing in vertical annuli

[7] Fei Chen, et al. Investigation on the applicability of turbulent-Prandtl-number models for liquid lead-bismuth eutectic

来源：仿真与工程

Fluent System UDF 湍流核能 ADS 材料控制

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首次发布时间：2023-07-05