强内热源多孔介质条通道内流动与传热特性数值模拟

摘要

球床水冷反应堆,堆芯采用球形燃料元件,比现役反应堆具有更高的功率密度,是一种新概念反应堆。本文以球床水冷反应堆为研究背景,对小球填充多孔介质通道内单相水的流动与传热特性进行了数值模拟研究。
　　 与常规管通道相比较,流体在多孔介质通道中的流动过程更加复杂,流动阻力也大幅增加。虽然通过构建多孔介质通道的几何模型,并求解其N-S方程,可以计算多孔介质通道内的阻力压降,但计算时需要划分大量的网格,很难广泛应用。
　　 本文在相似理论基础上,以FLUENT6.3为平台,建立了小球填充多孔介质通道的压降预测模型,通过求解其3维N-S方程,对模型中单相水的绝热流动进行了数值模拟。通过与实验结果进行比较表明,该预测模型对于不同工况下单相流体的压降计算具有较高的计算精度,对于无量纲直径D=0.16、0.1和0.04(直径分别为2mm、5mm和8mm)的小球填充多孔介质通道,计算误差范围分别小于5％,7％和7％;对于单相流体的压降,现有多孔介质中模型中的惯性阻力修正系数CF对计算结果的影响很大,不能对阻力压降进行很好的预测;流动阻力随D的增大而减小。
　　 同时,本文采用局部非热平衡模型,对紊流及过渡区范围内骨架发热多孔介质竖直通道内的非达西强制对流换热进行了数值研究。采用3维N-S方程及标准k-ε湍流模型描述多孔介质内的流动,详细研究了孔隙有效雷诺数Re(400＜Re＜2000),表面热流密度q(q=5kW/m2,30kW/m2,90kW/m2)和冷却剂入口温度Tin(Tin=20℃,50℃,80℃)对多孔介质流道内流动阻力及换热特性的影响。结果表明:低热流密度时,表面热流密度对流动阻力和换热系数的影响很小;小球直径对换热系数的影响显著,且雷诺数越大,影响也越显著;换热系数随冷却剂入口温度的增加而减小。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 研究概况

1.2.2 流动阻力特性

1.2.3 传热特性

1.3 数值计算研究现状

1.3.1 基本研究方法

1.3.2 表征体元

1.3.3 CFD发展状况

1.3.4 CFD软件

1.4 多孔介质流动与传热特性研究存在的问题

1.5 本文的主要工作

第2章 基本模型和理论基础

2.1 流体动力学控制方程

2.1.1 体积平均法

2.1.2 渗流速度和连续方程

2.1.3 动量方程

2.1.4 能量方程

2.2 湍流模型

2.2.1 湍流的数值模拟方法

2.2.2 k-ε双方程模型

2.2.3 壁面函数和近壁模型

2.3 边界条件

2.3.1 流动边界条件

2.3.2 湍流模型的设定

2.4 本章小结

第3章 数值建模与网格模块化

3.1 相似原理

3.1.1 模型实验

3.1.2 流体力学与传热学相似

3.2 数值建模

3.3 模型实验的建立

3.3.1 相似性分析

3.3.2 实验数据的转换

3.4 模型的简化

3.5 准确性验证

3.5.1 网格无关性验证

3.5.2 模型验证

3.6 本章小结

第4章 单相流阻力特性数值模拟

4.1 物理模型、控制方程及数值方法

4.2 计算结果分析

4.2.1 实验数据对比

4.2.2 流场及阻力特性分析

4.2.3 与现有计算式的对比

4.2.4 阻力系数变化特性

4.3 本章小结

第5章 单相流传热特性数值模拟

5.1 物理模型、控制方程及数值方法

5.2 计算结果与分析

5.2.1 数值方法验证

5.2.2 内热源对多孔介质通道内流动阻力的影响

5.2.3 热流密度及小球直径对换热特性的影响

5.2.4 Re对换热特性的影响

5.2.5 冷却剂入口温度对换热特性的影响

5.3 本章小结

结论

本文主要结论

展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果

致谢