同轴喷射冷热流体温度振荡数值模拟.docx

同轴喷射冷热流体温度振荡数值模拟同轴喷射冷热流体温度振荡数值模拟摘要：在核电厂中，由于来自核反应堆堆芯不同通道冷却剂温度存在差异，产生温度振荡现象，可能引起固体结构的热疲劳与热老化。本文基于FLUENT平台，采用大涡湍流模型对同轴喷射口模型进行数值模拟。发现速度场中存在的各种漩涡与温度振荡密切相关，而且在模型不同位置处，瞬时温度波动振幅差异比较大，但大幅波动的频率范围均处在10Hz以下。同时在低速范围内，在流域的不同高度下，入口流速对温度振荡程度的影响趋势是不同。关键词：数值模拟;温度波动;同轴喷射口1、引言在核电厂中，由于来自核反应堆堆芯不同通道的冷却剂温度存在差异，在堆芯上腔室混合后，产生温度振荡现象，此时温度振荡可能引起控制棒导向筒和温度测量装置的热疲劳与热老化，也可能会影响堆芯温度参数的测量精度，进而影响堆芯的控制与保护功能。长时间的热疲劳破坏，可能减少核电站寿命。由于温度振荡是一个比较复杂的湍流现象，对其影响因素特别多，因此温度振荡机理还没有研究透彻。鉴于此，应详细进行温度振荡的研究。温度振荡源于热分层，早在80年代就有学者对其进行了研究。Lloydandwood[1]分析了热分层引起固体的疲劳损坏的开始和增殖。Mikschetal[2]分析了轻水堆中水平给水管受热振荡和热分层的影响。JonesandLewis[3]基于脉冲响应模型开发了一种模型，用来计算由于热分层引起的疲劳破坏。Leeatal[4]对T型混合管中热分层进行了数值模拟，指出冷热流体温差和换热系数是引起热疲劳破坏的主要因素。朱维宇[5]采用大涡模型对T型结构进行冷热流体混合的数值模拟，得到不同入口条件下温度波动情况。陆道纲、李向宾[6]对计算流体软件进行二次开发，采用修正的k-ε模型，模拟了阀门渗漏冷水进入含有高温水支管后所发生的温度振荡现象，并与实验测量进行了对比，其结果和实验吻合很好。针对堆芯出口温度振荡的研究，多简化一物理模型，以往的研究包含两平行喷射口、三平行喷射口、同轴喷射口等模型。Tokuhiroandkimura[7]针对三喷口的试验段进行了实验，其中中间喷口为冷流体，相邻的两个喷口为热流体，对流场中温度及速度进行了测量，得出不同入口参数下温度振荡规律。在这个模型中，NobuyukiKimuraatal[8]则关注于温度波动从流体向固体的传播，通过实验给出独立于频率和振幅的稳定换热系数。采用了低Re数下湍流应力热流方程模型(LRSFM)和两方程k-ε湍流模型，对三喷口模型进行了数值模拟，并与实验进行了比较，结果显示LRSFM模型对温度波动的模拟是合适的。但平行三喷口模型是一个二维参数的装置。为研究温度振荡现象的机理，本文选取同轴喷射口的轴对称结构作为其物理模型，流体参数具有三维特性。对于相近的模型，已经有学者进行了实验研究，也有一部分人采用了数值模拟进行分析。MoriyaandOhshima[10]对其进行了实验研究，总结出湍流的混合引起了温度的波动。而TenchineandMoro[11]比较了液态Na和空气作为介质的实验数据，同时采用大涡模型进行了数值计算的验证，但没有给出瞬态温度波动的频率和振幅的特点。本文针对同轴喷射口模型建立三维流域，采用大涡湍流模型模拟温度振荡现象，研究其详细机理。研究发现速度场中存在的各种漩涡与温度振荡密切相关，而且在模型的不同位置处，瞬时温度的振幅差异比较大，大幅波动频率范围主要分布在10Hz以下。同时在模型不同位置，流速对冷热流体混合区的温度振荡程度的影响趋势是存在差异的。2、理论方法2.1控制方程湍流是由许多不同尺度的涡组成,大尺度的涡主要对平均流动影响较大,而小尺度的涡起到耗散作用。大涡模型是通过过滤方法将瞬时流体参数进行过滤，得到大尺度涡，过滤出去的为小尺度涡，其中大尺度涡通过N-S方程进行直接计算，而小尺度涡则通过亚格子尺度模型进行求解。本文选取同轴喷射口几何结构作为物理模型，混合区域直径为160mm，高度为500mm，中间入口直径为20mm，外围入口环腔内径为50mm，外径为65mm，取混合区中间喷射口入口中心为坐标原点建立坐标系，如图1所式。其中中间入口为冷流体，外围环腔入口为热流体。2.2模拟条件及分析方法本文对同轴喷射口三维模型进行建模，基于Fluent平台，采用LES湍流模型对表1中的工况进行数值模拟。模拟中选取液态的水作为流动介质，壁面为无滑移和绝热边界条件，给定速度入口边界，及压力出口边界，其中操作压力取环境压力。为了捕捉到详细的温度振荡，必须确保计算网格足够精细，来模拟混合区域小尺度的湍流运动，模型的网格形式为正六面体，网格尺寸为2mm，网格数约为126万。由于模型是轴对称结构，本文所有图片和数据均取自y=0mm平面。图3给出工况1中瞬态温度云图，其