基于■模型的液态金属三角形棒束数值传热研究

相比恒定的湍流普朗特数(Pr_(t))模型,四方程模型通过引入湍流时间尺度来考虑液态金属的速度和温度边界层之间的差异性,有望提高具有低普朗特数(Pr)传热特性的液态金属数值传热精度。然而四方程模型的输运形式受限于其复杂的边界条件。为简化湍流变量的边界条件,本研究基于泰勒级数展开和近壁湍流分析方法建立了各向同性四方程■模型。基于开源计算流体力学程序OpenFOAM数值计算了液态金属(Pr=0.01)在三角形排列棒束内不同贝克莱数(Pe)、不同栅距比(P/D)的充分发展流动传热过程。将■模型、Pr_(t)=0.85模型和Kays模型的数值结果与实验关系式进行了对比,结果表明:Pr_(t)=0.85模型过高估计了液态金属的努塞尔数,Kays模型和■模型传热结果介于实验关联式之间;低Pe下Kays模型和■模型预测结果相近,而高Pe下■模型较Kays模型保守;随着雷诺数的增加,平均湍流普朗特数减小;随着栅距比的增加,平均湍流普朗特数增加。基于各向同性四方程■模型,可为简化湍流边界条件和计算液态金属流动传热提供参考。

基于四方程模型的LBE环管湍流换热数值研究

为计算液态铅铋(LBE)在环管内不同加热环境下的湍流换热,基于开源计算流体力学程序OpenFOAM开发了四方程模型求解器4eqnFoam。将LBE在平板和圆管内的预测结果与直接数值模拟结果和实验结果进行对比,验证了求解器的有效性。基于该求解器,分别计算了LBE在外壁绝热内壁加热以及内外壁面等热流加热环管内不同雷诺数下的湍流换热量。结果表明:随着雷诺数的增加,两种加热条件下的无量纲温度脉动、雷诺热流、湍流热扩散作用增大,而平均湍流普朗特数减小;当雷诺数增加到一定程度时,平均湍流普朗特数变化不明显。基于4eqnFoam求解器,可为计算LBE热工水力现象提供更多参考。

铅铋冷却快堆含绕丝燃料组件子通道程序开发与验证

由于铅铋冷却剂流动传热现象的复杂性,准确计算铅铋冷却含绕丝燃料组件的冷却剂和包壳温度是液态金属冷却快堆燃料组件热工分析的重点。本文基于集总参数法对守恒方程进行求解,开发了适用于铅铋冷却快堆的子通道分析程序,对液态铅铋在棒束燃料组件中的摩擦阻力模型、湍流交混模型和对流换热模型进行了适用性分析,并对7棒束大涡模拟和19棒束含绕丝传热实验进行了对比验证。结果表明:包壳和冷却剂温度的最大相对误差低于5%。程序能较好完成铅铋冷却含绕丝燃料组件的热工水力计算,可为铅铋冷却快堆设计提供支持。

Verification of Four Equation Solver Based on Open FOAM

Based on the four equation turbulent heat transfer model k-ε-k_(θ)-ε_(θ),the unknown term of Reynolds heat flux in the energy equation is considered to be solved by two differential equations.

Heat Transfer Calculation of Tube on k-ε-k_(θ)-ε_(θ) Model

The turbulent Prandtl nuqmber Prt of low Prandtl number Pr fluid is a nonlinear parameter characterized by Prt=f(Re,Pr,y),which is related to Reynolds number Re,Pr and flow structure y.

基于OpenFOAM的液态铅铋冷却光滑19棒束湍流普朗特数模型敏感性研究

液态铅铋(LBE)具有较低的普朗特数(Pr)物性特征,导致计算流体力学(CFD)模拟中常用的恒定湍流普朗特数(Tr_t)模型会影响其传热计算的准确性。为提高LBE的数值传热精度,国内外的学者构建了多个液态金属Pr_t模型。为评估常用液态金属Pr_t模型在快堆常见三角形排列棒束中的适用性,本工作首先基于开源计算流体力学软件OpenFOAM的稳态传热求解器buoyantSimpleFoam,添加多个液态金属Pr_t模型。然后针对Pr分别为0.01与0.025时的常物性LBE在光滑19棒束内部的充分发展湍流换热过程进行了数值研究,并将努塞尔数(Nu)结果与Mikityuk等[Nucl Eng Des,2009,239(4):680]提出的三角形棒束换热关系式进行了对比分析。结果表明:当采用SSTk-ω湍流模型时,Aoki等[Bull Tokyo Inst Tech,1963,54:63]基于全局流动参数建立的Pr_t模型以及Kays等[ASME Journal of Heat Transfer,1994,116:284]基于局部湍流参数建立的Pr_t模型计算得到的Nu结果与Mikityuk关系式吻合较好;而Pr_t=0.85模型引起的各项误差均较大,在工程计算中应谨慎使用;LBE的分子热传导作用对温度场及热通量场的影响较大,使用合适的Pr_t模型可以改进其CFD传热计算的准确性。

基于OpenFOAM的四方程模型研究

为建立适用液态铅-铋(LBE)湍流换热的辅助手段,基于雷诺时均方法和开源计算流体力学程序OpenFOAM,植入封闭动量方程的一阶两方程湍流模型和封闭能量方程的一阶两方程换热模型,开发了四方程求解器。通过数值计算得到LBE在平板与圆管内不同雷诺数(Re)下的速度、温度、温度脉动均方根、雷诺应力与热流等分布。结果表明,预测得到的各时均统计量、努塞尔数(Nu)分别与直接数值模拟数据、实验关系式符合较好;随Re的增加,平均湍流普朗特数(Prt)逐渐减小。