CN111832201A - 液态金属螺旋管蒸汽发生器两侧冷却与蒸发耦合计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属螺旋管蒸汽发生器两侧冷却与蒸发耦合计算方法，包括以下步骤：建立螺旋管蒸汽发生器计算域原型几何模型；对螺旋管蒸汽发生器计算域模型内的各部分进行网格划分，得到各部分的网格模型，并进行边界条件设置；通过将螺旋管蒸汽发生器计算域内各部分的交界面设置为网格交界面实现各部分网格的拼接；将液态金属的物性依据湍流Pr数修正关系式导入；进行合理的初始化与边界条件修正；在螺旋管蒸汽发生器所有区域包括：固体区域以及壳侧与管侧流体域的网格模型范围内进行蒸汽蒸发、铅铋冷凝、管壁固体区域的耦合流动传热计算。

Description

液态金属螺旋管蒸汽发生器两侧冷却与蒸发耦合计算方法

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力计算技术领域，具体涉及一种液态金属螺旋管蒸汽发生器两侧冷却与蒸发耦合计算方法。

背景技术

蒸汽发生器是核反应堆动力系统中至关重要的组成部分，是将反应堆一次侧的热量向二次侧传递的重要枢纽。螺旋管蒸汽发生器是一种蒸汽发生器常用形式，其主要由：螺旋管束、内筒、壳体外壁面组成。螺旋管束绕套筒按照不同的径向位置分层布置，每层内均匀布置多跟换热管。为减少传热管间的热偏差，通常需要保证螺旋管长度接近。螺旋管蒸汽发生器因其独特结构，相较于常规换热器增加了两侧流体的换热面积与湍流强度，强化换热，使其具有紧凑型好、换热效率高、热应力小等优点。得益于其独特优势，螺旋管蒸汽发生器被广泛应用于船用压水堆、小型模块化反应堆，高温气冷堆以及铅铋快堆等。

液态金属螺旋管蒸汽发生器结构特殊，管内流体除了受到重力、浮力的影响，还受到离心力的影响。管外流体为外掠管束流动，由于受到管束的搅混作用，使得管外流体的湍流程度大大提升，强化了两侧流体的换热，提高了蒸汽发生器的热效率。为不断提升螺旋管式蒸汽发生器的热效率，对其结构参数的优化设计是十分必要的。同时，在进行全尺寸实验耗费成本较高的前提下，使用计算流体力学手段来进行确定是有效且方便的。但是已有的方法多关注单侧的流动流动换热，虽然能对螺旋管蒸汽发生器的设计以及能力评估给予一定的指导性意见，但是实际过程是一个两侧流体耦合换热过程，仅关注单侧流体将无法真实模拟螺旋管蒸汽发生器内部流动传热过程。另外还有方法利用程序编写的方法进行模拟，，此类方法通常仅能对螺旋管蒸汽发生器进行一维模拟，缺乏对细节现象的描述能力，这种方法不能描述例如沿流程的热流密度变化、管壁温度沿程变化等的。。使用计算流体力学手段对液态金属螺旋管蒸汽发生器两侧流体耦合换热的热工水力现象进行计算，可以对全流域进行精细模拟，对螺旋管式蒸汽发生器的热工设计与性能优化是十分重要的。同时，当前还没有针对液态金属螺旋管蒸汽发生器两侧冷却与蒸发进行三维耦合的研究，因此该方法将对液态金属螺旋管蒸汽发生器的未来发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液态金属螺旋管蒸汽发生器冷却与蒸发耦合计算方法，该方法能够运用计算流体力学手段对液态金属螺旋管蒸汽发生器管内的蒸汽蒸发以及螺旋管束外的液态金属流动进行耦合计算。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明方法采用计算流体力学软件中的组分输运模型以及质量扩散理论来模拟液态金属螺旋管式蒸汽发生器的蒸汽蒸发现象；通过修正该软件的方法模拟螺旋管蒸汽发生器外部的液态金属流动；同时根据傅里叶导热定律计算位于螺旋管束外部的液态金属以及螺旋管束内部的蒸汽蒸发间的管壁的温度分布。

液态金属螺旋管蒸汽发生器蒸发过程耦合计算方法，包括如下步骤：

步骤1：建立螺旋管蒸汽发生器计算域原型模型，包括螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型、螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型以及螺旋管束管壁结构的固体域几何模型，具体步骤如下：

步骤1-1：运用几何模型建立软件建立螺旋管束内部流体域几何模型。考虑到实际情况，首先建立以某一螺旋直径建立单根螺旋管内部流体域几何模型，以其中心轴为旋转轴，旋转复制多个单根螺旋管内部流体域几何模型，形成第一层螺旋管内部两相流体域几何模型。随后改变螺旋直径，重复上述步骤，建立其他层的螺旋管束内部流体域几何模型。最终建立均匀布置的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型；

步骤1-2：运用几何模型建立软件建立螺旋管束管壁结构的固体域几何模型，通过对步骤1-1中完成的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型壁面进行加厚处理得到；

步骤1-3：运用几何模型建立软件建立螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型；此步骤中，先建立整个套筒区域几何模型，然后使用步骤1-2建立的几何模型的外壁面进行切割，得到与螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型，其内部边界与步骤1-2中建立的螺旋管束管壁固体域几何模型外壁面重合；

步骤2：在步骤1中得到的螺旋管蒸汽发生器计算域原型模型，包括螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型、螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型以及螺旋管束管壁结构的固体域几何模型的基础上进行网格划分，具体步骤如下：

步骤2-1：进行螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型的网格划分，得到螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域的网格模型，具体地，运用网格划分软件在步骤1-1中得到的螺旋管束内部流体域几何模型的基础上进行六面体结构化网格划分；

步骤2-2：进行螺旋管束管壁结构的固体域几何模型网格划分，得到螺旋管束管壁结构的固体域网格模型，具体地，运用网格划分软件在步骤1-2中得到的螺旋管束管壁结构的固体域几何模型的基础上进行六面体结构化网格划分；

步骤2-3：进行螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型的网格划分，得到螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型，具体地，运用网格划分软件在步骤1-3中得到的螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型的基础上进行四面体结构化网格的划分；

步骤3：将步骤2得到的三部分网格模型进行网格拼接得到完整的计算网格，具体地，将步骤2中得到的螺旋管束管壁结构的固体域网格模型和螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型的交界面，以及螺旋管束管壁结构的固体域网格模型和螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型的交界面设置为网格交界面并在进行边界条件设置，将其设置为固液交界面；

步骤4：在螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型范围内进行蒸发两相流模拟计算，具体步骤如下：

步骤4-1：将螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型的下部进口设置为流体域入口，并依据真实条件设置入口处混合物中蒸汽的比例、混合物的速度、压力以及混合物的温度；

步骤4-2：将螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型的上部表面设置为流体域的出口，并设置出口处混合物的压力；

步骤4-3：求解混合物的质量、动量、能量及组分输运方程，得到螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型的混合物速度场、温度场以及组分浓度场，其中求解组分(蒸汽、水)浓度场的组分输运方程为：

方程(1)为组分输运方程的具体形式，其中：

ρ——混合物的密度，kg/m³；

Y_i——混合物中的第i相组分浓度即蒸汽和水的质量份额，％；

——混合物的速度，m/s；

t——时间,s；

D_i,m——混合物中第i相的层流扩散系数m²·s^-1；

D_i,t——混合物中第i相的湍流扩散系数m²·s^-1；

步骤4-4：在求得的混合物速度场、温度场与组分浓度场的基础上，通过计算得到的组分浓度中的蒸汽质量份额(即w_s)可以计算出螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型与的螺旋管束管壁结构的固体域网格模型的网格交界面处的蒸汽蒸发率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s；

ρ——混合物的密度，kg/m³；

D_m——层流扩散系数m²·s^-1；

w_s——蒸汽质量份额，％；

n——面法向量；

步骤4-5：由步骤4-4中求得的蒸汽蒸发率计算蒸汽蒸发吸收螺旋管束管壁结构的固体域热量，并得到包括网格交界面处温度分布的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域的温度场；具体地，蒸汽吸热功率为：

其中：

——蒸汽的质量流量，kg/s；

h_fg——蒸汽汽化潜热，J/kg；

Q_E——蒸汽吸热功率W；

步骤5：计算螺旋管束管壁结构的固体域内的温度分布，并得到螺旋管束管壁结构的固体域网格模型和螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型的交界面处的温度分布，具体地，在螺旋管束管壁结构的固体域内，热量主要通过热传导的方式传递，根据傅里叶导热定律：

其中：

Q_E——蒸汽蒸发吸热功率W；

λ——螺旋管束管壁结构的固体域的导热系数，W/m²·K；

A——螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域和螺旋管束管壁结构固体域的交界面面积，m²；

t——螺旋管束管壁结构的固体域温度，K；

x——螺旋管束管壁结构的固体域由内指向外的位置坐标，m；

由(4)式得到螺旋管束管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域交界面处的温度分布；

步骤6：以步骤5中得到的螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域与螺旋管束管壁结构的固体域交界面处的温度分布，采用液态金属的计算方法计算旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域内的速度场和温度场，具体步骤如下：

步骤6-1：将螺旋管束管壁外部流体域下部面设置为液态金属的出口，上部面设置为液态金属进口；

步骤6-2：求解液态金属的质量、动量和能量守恒方程，得到螺旋管束外部流体域内的速度场与温度场分布；考虑到液态金属的特殊物理性质，综合已调研文献中的物性关系式，拟合出新的物性关系式，选取适配的液态金属物性关系式，并将其写为脚本形式，将其导入计算流体力学软件；对液态金属的计算需对计算流体力学软件进行修正，具体的，选取适配的湍流普朗特数关系式，并将其写为脚本形式，将其导入计算流体力学软件，实现对湍流模型的修正；

步骤6-3：按照实际情况，对不同区域内的组分浓度进行初始化。同时对于入口边界也进行组分设置，保证流场与实际情况符合。

本发明具有以下有益效果：

1)能够实现螺旋管式蒸汽发生器管侧蒸发过程和壳侧液态金属冷却过程的耦合计算；

2)模型独立，方法通用性强，可以适应于不同类型的流体力学计算分析程序；

3)该计算模型能够实现液态金属、液态水、蒸汽的同时模拟，可以给液态金属反应堆中的螺旋管式蒸汽发生器工程设计提供更准确的计算数据。

附图说明

图1为典型多头螺旋管式蒸汽发生器结构示意图。

图2为三部分计算域正视图。

图3为本发明耦合计算方法流程图。

具体实施方式

以下结合图3所示流程图，以典型多头螺旋管式蒸汽发生器计算过程为例，对本发明作进一步的详细描述，典型多头螺旋管式蒸汽发生器结构如图1所示，其壳侧、管侧流体流动方向如图2所示。

本发明液态金属螺旋管蒸汽发生器蒸发过程耦合计算方法，包括如下步骤：

步骤1：建立螺旋管蒸汽发生器计算域原型模型，包括螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型、螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型以及螺旋管束管壁结构的固体域几何模型，具体步骤如下：

步骤1-1：运用几何模型建立软件SOLIDWORKS建立螺旋管束内部流体域几何模型。考虑到实际情况，首先建立以某一螺旋直径建立单根螺旋管内部流体域几何模型，以其中心轴为旋转轴，旋转复制多个单根螺旋管内部流体域几何模型，形成第一层螺旋管内部两相流体域几何模型。随后改变螺旋直径，重复上述步骤，建立其他层的螺旋管束内部流体域几何模型。最终建立均匀布置的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型；

步骤1-2：运用几何模型建立软件SOLIDWORKS建立螺旋管束管壁结构的固体域几何模型，通过对步骤1-1中完成的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型壁面进行加厚处理得到；

步骤1-3：运用几何模型建立软件SOLIDWORKS建立螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型。此步骤中，先建立整个套筒区域几何模型，然后使用步骤1-2建立的几何模型的外壁面进行切割，得到与螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型，其内部边界与步骤1-2中建立的螺旋管束管壁结构的固体域几何模型外壁面重合；

步骤2：在步骤1中得到的螺旋管蒸汽发生器计算域原型模型，包括螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型、螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型以及螺旋管束管壁结构的固体域几何模型的基础上运用ANSYS-ICEM进行网格划分，具体步骤如下：

步骤2-1：进行螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型的网格划分，得到螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域的网格模型，具体地，运用ANSYS-ICEM网格划分软件在步骤1-1中得到的螺旋管束内部流体域几何模型的基础上进行六面体结构化网格划分；

步骤2-2：进行螺旋管束管壁结构的固体域几何模型网格划分，得到螺旋管束管壁结构的固体域网格模型，具体地，运用网格划分软件ANSYS-ICEM在步骤1-2中得到的螺旋管束管壁结构的固体域几何模型的基础上进行六面体结构化网格划分；

步骤2-3：进行螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型的网格划分，得到螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型，具体地，运用网格划分ANSYS-ICEM软件在步骤1-3中得到的螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型的基础上进行四面体结构化网格的划分；

步骤3：将步骤2得到的三部分网格模型进行网格拼接得到完整的计算网格，具体地，将步骤2中得到的螺旋管束管壁结构的固体域网格模型和螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型的交界面，以及螺旋管束管壁固体域结构的网格模型和螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型的交界面设置为网格交界面并在ANSYS-FLUENT进行边界条件设置,将其设置为固液交界面；

步骤4：在螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型范围内进行蒸发两相流模拟计算，具体步骤如下：

步骤4-1：将螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型的下部进口设置为流体域入口，并依据真实条件设置入口处混合物中蒸汽的比例、混合物的速度、压力以及混合物的温度；

步骤4-2：将螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型的上部表面设置为流体域的出口，并设置出口处混合物的压力；

步骤4-3：求解混合物的质量、动量、能量及组分输运方程，得到螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型的混合物速度场、温度场以及组分浓度场，其中求解组分(蒸汽、水)浓度场的组分输运方程为：

方程(1)为组分输运方程的具体形式，其中：

ρ——混合物的密度，kg/m³；

Y_i——混合物中的第i相组分浓度即蒸汽和水的质量份额，％；

——混合物的速度，m/s；

t——时间,s；

D_i,m——混合物中第i相的层流扩散系数m²·s^-1；

D_i,t——混合物中第i相的湍流扩散系数m²·s^-1；

步骤4-4：在求得的混合物速度场、温度场与组分浓度场的基础上，通过计算得到的组分浓度中的蒸汽质量份额(即w_s)可以计算出螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型与的螺旋管束管壁结构的固体域网格模型的网格交界面处的蒸汽蒸发率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s；

ρ——混合物的密度，kg/m³；

D_m——层流扩散系数m²·s^-1；

w_s——蒸汽质量份额，％；

n——面法向量；

步骤4-5：由步骤4-4中求得的蒸汽蒸发率计算蒸汽蒸发吸收螺旋管束管壁结构的热量，并得到包括网格交界面处温度分布的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域的温度场；具体地，蒸汽吸热功率为：

其中：

——蒸汽的质量流量，kg/s；

h_fg——蒸汽汽化潜热，J/kg；

Q_E——蒸汽吸热功率W；

步骤5：计算螺旋管束管壁结构的固体域内的温度分布，并得到螺旋管束管壁结构固体域网格模型和螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型的交界面处的温度分布，具体地，在螺旋管束管壁结构的固体域内，热量主要通过热传导的方式传递，根据傅里叶导热定律：

其中：

Q_E——蒸汽蒸发吸热功率W；

λ——螺旋管束管壁结构的固体域的导热系数，W/m²·K；

A——螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域和螺旋管束管壁结构的固体域的交界面面积，m²；

t——螺旋管束管壁结构的固体域温度，K；

x——螺旋管束管壁结构的固体域由内指向外的位置坐标，m；

由(4)式得到螺旋管束管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域交界面处的温度分布；

步骤6：以步骤5中得到的螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域与螺旋管束管壁结构的固体域交界面处的温度分布，采用液态金属的计算方法计算旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域内的速度场和温度场，具体步骤如下：

步骤6-1：将螺旋管汽发生器壳侧液态金属流体域下部面设置为液态金属的出口，上部面设置为液态金属进口；

步骤6-2：求解液态金属的质量、动量和能量守恒方程，得到螺旋管束外部流体域内的速度场与温度场分布；考虑到液态金属的特殊物理性质，综合已调研文献中的物性关系式，拟合出新的适配的液态金属物性关系式，并利用“DEFINE_PROPERTY”宏将此关系式撰写为UDF文件形式，最后导入FLUENT软件；对液态金属的计算需对湍流模型进行修正，选取适配的湍流普朗特数关系式，并利用“DEFINE_PROPERTY”宏将此关系式撰写为UDF文件形式，最后导入FLUENT软件；

步骤6-3：按照实际情况，对不同区域内的组分浓度进行初始化。将螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域初始化为铅铋相，螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域初始化为单相水；同时对于入口边界也进行组分设置，将螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域入口处铅铋相质量分数设置为1，将螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域入口处液态水质量分数设置为1，保证流场与实际情况符合。

Claims (1)

1.液态金属螺旋管蒸汽发生器两侧冷却与蒸发耦合计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立螺旋管蒸汽发生器计算域原型模型，包括螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型、螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型以及螺旋管束管壁结构的固体域几何模型，具体步骤如下：

步骤1-1：运用几何模型建立软件建立螺旋管束内部流体域几何模型，考虑到实际情况，首先建立以某一螺旋直径建立单根螺旋管内部流体域几何模型，以其中心轴为旋转轴，旋转复制多个单根螺旋管内部流体域几何模型，形成第一层螺旋管内部两相流体域几何模型；随后改变螺旋直径，重复上述步骤，建立其他层的螺旋管束内部流体域几何模型，最终建立均匀布置的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型；

步骤1-2：运用几何模型建立软件建立螺旋管束管壁结构的固体域几何模型，通过对步骤1-1中建立的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型壁面进行加厚处理得到；

步骤1-3：运用几何模型建立软件建立螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型，此步骤中，先建立整个套筒区域几何模型，然后使用步骤1-2建立的几何模型的外壁面进行切割，得到与螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型，其内部边界与步骤1-2中建立的螺旋管束管壁结构的固体域几何模型外壁面重合；

步骤2：在步骤1中得到的螺旋管蒸汽发生器计算域原型模型，包括螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型、螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型以及螺旋管束管壁结构的固体域几何模型的基础上进行网格划分，具体步骤如下：

步骤2-1：进行螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型的网格划分，得到螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型，具体地，运用网格划分软件在步骤1-1中得到的螺旋管束内部流体域几何模型的基础上进行六面体结构化网格划分；

步骤2-2：进行螺旋管束管壁结构的固体域几何模型网格划分，得到螺旋管束管壁结构的固体域网格模型，具体地，运用网格划分软件在步骤1-2中得到的螺旋管束管壁结构的固体域几何模型的基础上进行六面体结构化网格划分；

步骤2-3：进行螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型的网格划分，得到螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型，具体地，运用网格划分软件在步骤1-3中得到的螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域几何模型的基础上进行四面体结构化网格的划分；

步骤3：将步骤2得到的三部分网格模型进行网格拼接得到完整的计算网格，具体地，将步骤2中得到的螺旋管束管壁结构的固体域网格模型和螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型的交界面，以及螺旋管束管壁结构的固体域网格模型和螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型的交界面设置为网格交界面并进行边界条件设置，将其设置为固液交界面；

步骤4：在螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型范围内进行蒸发两相流模拟计算，具体步骤如下：

步骤4-1：将螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型的下部进口设置为流体域入口，并依据真实条件设置入口处混合物中蒸汽的比例、混合物的速度、压力以及混合物的温度；

步骤4-2：将螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型的上部表面设置为流体域的出口，并设置出口处混合物的压力；

步骤4-3：求解混合物的质量、动量、能量及组分输运方程，得到螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域几何模型的混合物速度场、温度场以及组分浓度场，其中求解组分即蒸汽和水浓度场的组分输运方程为：

方程(1)为组分输运方程的具体形式，其中：

ρ——混合物的密度，kg/m³；

Y_i——混合物中的第i相组分浓度即蒸汽和水的质量份额，％；

——混合物的速度，m/s；

t——时间,s；

D_i,m——混合物中第i相的层流扩散系数m²·s^-1；

D_i,t——混合物中第i相的湍流扩散系数m²·s^-1；

步骤4-4：在求得的混合物速度场、温度场与组分浓度场的基础上，通过计算得到的组分浓度中的蒸汽质量份额即w_s能够计算出螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域网格模型与的螺旋管束管壁结构的固体域网格模型的网格交界面处的蒸汽蒸发率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s；

ρ——混合物的密度，kg/m³；

D_m——层流扩散系数m²·s^-1；

w_s——蒸汽质量份额，％；

n——面法向量；

步骤4-5：由步骤4-4中求得的蒸汽蒸发率计算蒸汽蒸发吸收螺旋管束管壁结构的固体域热量，并得到包括网格交界面处温度分布的螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域的温度场；具体地，蒸汽吸热功率为：

其中：

——蒸汽的质量流量，kg/s；

h_fg——蒸汽汽化潜热，J/kg；

Q_E——蒸汽吸热功率W；

步骤5：计算螺旋管束管壁结构的固体域内的温度分布，并得到螺旋管束管壁结构的固体域网格模型和螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域网格模型的交界面处的温度分布，具体地，在螺旋管束管壁结构的固体域内，热量主要通过热传导的方式传递，根据傅里叶导热定律：

其中：

Q_E——蒸汽蒸发吸热功率W；

λ——螺旋管束管壁结构固体域的导热系数，W/m²·K；

A——螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域和螺旋管束管壁结构的固体域的交界面面积，m²；

t——螺旋管束管壁结构的固体域温度，K；

x——螺旋管束管壁结构的固体域由内指向外的位置坐标，m；

由(4)式得到螺旋管束管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域交界面处的温度分布；

步骤6：以步骤5中得到的螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域与螺旋管束管壁结构的固体域交界面处的温度分布，采用液态金属的计算方法计算旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域内的速度场和温度场，具体步骤如下：

步骤6-1：将螺旋管蒸汽发生器壳侧液态金属流体域下部面设置为液态金属的出口，上部面设置为液态金属进口；

步骤6-2：求解液态金属的质量、动量和能量守恒方程，得到螺旋管束外部流体域内的速度场与温度场分布；考虑到液态金属的特殊物理性质，综合已调研文献中的物性关系式，拟合出新的物性关系式，选取适配的液态金属物性关系式，并将其写为脚本形式，导入计算流体力学软件；对液态金属的计算需对计算流体力学软件进行修正，具体的，选取适配的湍流普朗特数关系式，并将其写为脚本形式并导入计算流体力学软件，实现对湍流模型的修正；

步骤6-3：按照实际情况，对不同区域内的组分浓度进行初始化；同时对于入口边界也进行组分设置，保证流场与实际情况符合。

Images