CN109670216A - 基于cfd技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，该方法流程包括：建立几何模型、网格划分、加载热分析模型和流体模型、设置边界条件、初始化并计算、结果及后处理。本发明采用CFD技术手段仿真计算非能动余热排出冷凝器流动换热情况，根据冷凝器管内外换热系统、冷凝器热通量、冷却水箱流场及温度场，确定冷凝器最优布置位置，相比传统的试验方法，本方法仿真计算具有成本低、速度快等优势。

Description

基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法
技术领域
本发明涉及非能动余热排出冷凝器位置的优化设计，具体地指一种基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，属于流动换热仿真计算技术领域。
背景技术
海洋核动力平台二次侧非能动余热排出系统功能是利用反应堆和蒸汽发生器、蒸汽发生器和非能动余热排出冷凝器布置位差和介质密度差产生驱动压头建立的自然循环，将反应堆停堆后的堆芯衰变热和显热持续导出。
非能动余热排出冷凝器布置位置会影响其换热性能，从而影响系统余热排出功能。现有技术主要靠试验及经验判断其最优位置，由于试验费用昂贵且周期长，工程经验具有不确定性，
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，该方法采用CFD技术手段仿真计算出非能动余热排出冷凝器流动换热情况，根据冷凝器管内外换热系统、冷凝器热通量、冷却水箱流场及温度场等参数，确定冷凝器最优布置位置。
实现本发明目的采用的技术方案是一种基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，该方法包括：
S1、建立非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维几何模型；
S2、对非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维耦合模型进行网格划分；
S3、选择模型模拟流动传热、换热管外蒸发及管内冷凝，并设置边界条件及初始条件，计算并得出非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维耦合模型的温度分布和相变云图，统计壁温、流速等参数，得出换热系数及换热功率；
S4、改变非能动余热排出冷凝器在冷却水箱中的相对位置，根据上述步骤得出最大换热系数及换热功率，选取最优布置位置。
本发明方法通过利用流体力学软件Fluent建立计算模型，对非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维耦合模型进行数值计算，节约时间及试验成本，根据计算结果，调整非能动余热排出冷凝器在冷却水箱相对位置，得出非能动余热排出冷凝器运行时换热器最大热功率及其最佳布置位置，验证系统配置是否满足换热性能要求，同时获得最优布置方案。相比传统的试验方法，本发明仿真计算具有成本低、速度快、易得到最优布置位置的优势。此外，还能获取非能动余热排出冷凝器运行时的流动换热机理，如气泡运动、热分层等。
附图说明
图1为本发明基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法包括以下步骤：
S1、采用CATIA建立三维模型
S1.1、根据冷却水箱模型尺寸采用CATIA软件建立1:1冷却水箱实际三维模型，水箱为长方体，长度为17400mm，宽度为1200mm，高度为11004mm；需要设计的参数还包括水箱内冷却淡水液位，其值为9500mm。
S1.2、在冷却水箱中相应位置采用CATIA建立非能动余热排出冷凝器实际三维模型，换热管为“C”型结构，换热管规格为Φ35×2.5，换热管有效长度为2m，换热管根数为37根。
S2、利用ICEM软件划分结构化网格
利用ICEM软件将模型分为三个区域，一区为换热管内部，二区为换热管壁及封头等结构，三区为水箱流体域。细化非能动余热排出冷凝器换热管和管板连接处网格。设置一区、三区为流体域，二区为结构域。采用四面体和六面体网格类型，网格数目为1519612个。
S3、采用Fluent软件进行数值计算
S3.1、选择计算模型
S3.1.1、多相流模型
本计算方法涉及到气-液两相流动，分别是冷凝器管内的水蒸气-冷凝水以及冷凝器管外的空气-水蒸气-水。将采用VOF(Volume Of Fluid)模型计算上述多项流动。该模型采用欧拉-欧拉方法，其中各流体都被视为连续介质。
在VOF模型中各组分流体共享一组守恒方程，即Navier-Stokes方程。将以上瞬态流动方程组在时间上取平均，并以时均值作为自变量，得到雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组：
式中，为雷诺平均速度(m/s)；SM为源项(kg/m3s)；P为压强(Pa)；u'i为雷诺脉动速度(m/s)；μ为动力粘度(Pa·s)；SF,i为动量源项(kg/m2s2)；E为单位质量总能量(J/kg)；τij为粘性应力(kg/m s2)；qj传导热流量(J/m2s)；SE为能量源项(J/m3s)。
S3.1.2、k－ε湍流模型
本计算方法采用k－ε湍流模型及传热模型模拟换热管外掺混及热分层。
上列各式中：μturb为湍流粘度(Pa s)；为雷诺平均速度；ρ为密度(kg/m3)；k为湍流动能(J/kg)；σk、σε为标准k-ε模型常数；ε为湍流动能粘性扩散(m2/s3)。
S3.1.3、自定义函数(UDF)
UDF是用户自己用C语言编写的函数，可以和FLUENT动态链接。本计算采用UDF描述蒸发和冷凝速率。水的源项以及能量源项。各源项所采取的公式如下：
式中，β为相变时间松弛因子(s-1)；αv、αl分别为气液两相的体积分数；ρv、ρl分别为气液两相的密度(kg/m3)；T为当前温度(K)；Tsat为当前压强下的饱和温度(K)；r为气化潜热(J/kg)。
S3.2、边界条件设置
水箱上部设置为压力出口，其值为一个大气压，换热器进口为速度进口，其值为v＝-0.00025355t+1.6666(0≤t≤5360s)，出口设置为压力出口，其值为3.7MPa。水箱壁面为绝热壁面，换热管设置导热系数，其值为17W/(m℃)。初始化水箱内水体积分数为100％。
S4计算结果后处理
通过FLUENT获得模拟云图及壁面温度、流体流速等值，得到耦合模型温度分布云图及换热管内冷凝、管外蒸发相变云图，根据仿真结果定量化换热系数及换热功率数值；调整非能动余热排出冷凝器分别向左或向右移动0.5m，重复步骤S1、S2和S3，计算非能动余热排出冷凝器换热功率，直至得出换热器最大热功率，并选取此时的位置为最佳布置位置。
上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所谓的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于包括：
S1、建立非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维几何模型；
S2、对非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维几何模型进行网格划分；
S3、选择模型模拟流动传热、换热管外蒸发及管内冷凝，并设置边界条件及初始条件，计算并得出非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维耦合相变换热模型的温度分布和相变云图，统计壁温、流速，得出换热功率；
S4、改变非能动余热排出冷凝器在冷却水箱中的相对位置，根据上述步骤得出最大换热功率的位置，选取该位置为最优布置位置。
2.根据权利要求1所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于所述步骤S1包括：
S1.1、根据冷却水箱模型尺寸采用CATIA软件建立1:1冷却水箱实际三维模型，所述冷却水箱为长方体，所述冷却水箱实际三维模型的参数包括：长度、宽度、高度、和水箱内冷却淡水液位；
S1.2、在冷却水箱中相应位置采用CATIA软件建立非能动余热排出冷凝器实际三维模型。
3.根据权利要求2所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于：所述非能动余热排出冷凝器为“C”型结构的换热管，换热管参数包括尺寸规格、有效长度、以及换热管根数。
4.根据权利要求3所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于所述步骤S2包括：
利用ICEM软件将非能动余热排出冷凝器和冷却水箱三维几何模型分为三个区域，一区为换热管内部，二区为换热管壁及封头等结构，三区为水箱流体域；细化非能动余热排出冷凝器换热管和管板连接处网格；设置一区、三区为流体域，二区为结构域；采用四面体和六面体网格类型得到网格数目。
5.根据权利要求4所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于所述步骤S3包括：
S3.1、在Fluent软件中，选择以下计算模型选择模型模拟流动传热、换热管外蒸发及管内冷凝：
S3.1.1多相流模型
采用VOF模型计算多项流动，该模型采用欧拉-欧拉方法，其中各流体都被视为连续介质；
在VOF模型中各组分流体共享一组守恒方程，即Navier-Stokes方程，将以上瞬态流动方程组在时间上取平均，并以时均值作为自变量，得到雷诺平均Navier-Stokes方程组：
上式中，ρ为密度；为雷诺平均速度；SM为源项；P为压强；ui'为雷诺脉动速度；μ为动力粘度；SF,i为动量源项；E为单位质量总能量；τij为粘性应力；qj传导热流量；SE为能量源项；
S3.1.2k－ε湍流模型
本计算方法采用k－ε湍流模型及传热模型模拟换热管外掺混及热分层，
上列各式中：μturb为湍流粘度；为雷诺平均速度；ρ为密度；k为湍流动能；C1ε、C2ε、σk和σε为标准k-ε模型常数；ε为湍流动能粘性扩散；
S3.1.3自定义函数UDF
UDF和FLUENT动态链接，采用UDF描述蒸发和冷凝速率，水的源项以及能量源项，各源项所采取的公式如下：
上式中，β为相变时间松弛因子(s-1)；αv、αl分别为气液两相的体积分数；ρv、ρl分别为气液两相的密度；T为当前温度；Tsat为当前压强下的饱和温度；r为气化潜热；
S3.2、边界条件设置
水箱上部设置为压力出口，其值为一个大气压，换热器进口为速度进口，其值为v＝-0.00025355t+1.6666，其中0≤t≤5360s，出口设置为压力出口，其值为3.7MPa；水箱壁面为绝热壁面，换热管设置导热系数，其值为17W/(m℃)，始化水箱内水体积分数为100％。
6.根据权利要求5所述基于CFD技术的非能动余热排出冷凝器位置优化设计方法，其特征在于所述步骤S4包括：
通过Fluent获得温度分布云图及壁面温度、流体流速、各相体积分数云图，再通过Fluent的后处理功能得到定量化的换热功率数值；调整非能动余热排出冷凝器分别向左或向右移动一定距离，重复步骤S1、S2和S3，计算非能动余热排出冷凝器换热功率，直至得出换热器最大热功率，并选取此时的位置为最佳布置位置。
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