反应堆子通道内湍流对流换热的大涡模拟研究

摘要

对液态金属低普朗特数的流体，使用RANS湍流模型很难精确模拟湍流热扩散项。在本文研究中，使用先进的大涡模拟方法(LES)，精细的网格，周期性的边界条件，数值模拟液态金属在三角形排布的堆芯棒束内（又称为子通道）充分发展状态的湍流换热。本文中，首先模拟Reτ=400，600，1400，P/D=1.2以及Reτ=600，P/D=1.05的算例，研究Pr=0.026（铅铋）的液态金属的湍流传热，接着研究不同的分子普朗特数流体(Pr=0.01，0.026，0.1，0.71)在相同流场（Reτ=600，P/D=1.2）下的湍流传热特性。该LES方法是在开源代码OpenFOAM2.3.0的基础上实现。文中分析了时间平均统计量，比如平均温度、温度脉动均方根（RMS）以及湍流热通量等，结果表明，随着雷诺数的增加，温度脉动RMS增大，而且其在子通道内的分布变得复杂。在近壁面很大的区域内，平均温度具有线性规律，同时温度脉动RMS恒定。随着Pr的增加，平均温度的线性区变小，温度脉动RMS曲线峰值的位置向壁面移动，温度脉动强度增强，这意味着温度子层的厚度变薄。液态金属在窄间隙的子通道(P/D=1.05)和宽间隙的子通道(P/D=1.2)的湍流传热特性存在很大的不同，其中，在P/D=1.05时，温度脉动大幅度增加，壁面温度不均匀性增加，增大了壁面材料的热疲劳效应，因此，液态金属的窄间隙堆芯棒束设计，需要特别注意温度的不均匀现象。湍流热通量随着Pr的改变会发生明显变化。通过比较LES计算的Nu与经验公式的计算结果，推荐使用Ushakov公式。本文的计算结果，是作者对堆芯子通道液态金属湍流传热特性研究的开始，在未来将会做更多有关液态金属湍流瞬态场以及湍流相干结构的研究。
　　此外还数值模拟了聚变堆包层第一壁矩形子通道内的湍流对流换热，重点分析了非均匀条件下的湍流换热系数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景

1．2 研究现状

1．3 液态金属数值模拟面临的困难

1．4 本文研究内容

第二章 数值模拟方法

2．1 大涡模拟方法

2．1．1 过滤

2．1．2 不可压大涡模拟控制方程

2．1．3 亚格子应力模型

2．2 能量方程

2．3 边界设置

第三章 OpenFOAM

3．1 OpenFOAM简介

3．2 OpenFOAM构成

3．3 算例的基本文件结构

3．4 求解器的基本文件结构

第四章 LBE液态金属的湍流换热模拟

4．1 模拟的算例

4．2 模拟结果的验证

4．3 温度脉动

4．3．1 Reτ的影响

4．3．2 P／D的影响

4．3．3 角度的影响

4．4 平均温度

4．5 湍流热通量

4．5．1 流向湍流热通量

4．5．2 径向湍流热通量

4．5．3 环向湍流热通量

4．6 努塞尔数

4．7 本章小结

第五章 不同普朗特数流体的湍流换热模拟

5．1 算例的设置

5．2 平均温度

5．3 温度脉动

5．3．1 脉动云图

5．3．2 脉动曲线

5．4 湍流热通量

5．4．1 流向湍流热通量

5．4．2 径向湍流热通量

5．4．3 环向湍流热通量

5．5 努塞尔数

5．5．1 经验公式

5．5．2 结果

5．6 本章小结

第六章 总结

6．1 工作总结

6．2 论文创新性说明

6．3 展望

第七章 聚变包层第一壁矩形子通道的湍流换热模拟

7．1 背景

7．2 研究现状

7．3 雷诺平均方法

7．4 湍流模型研究

7．4．2 二次流

7．4．3 结果验证

7．4．4 温度

7．5 高宽比的影响

7．6 努塞尔数

7．7 本章小结

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果