CN111881631A - 一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法 - Google Patents

一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法，可用于铅冷快堆气相控氧和固相控氧过程中质量交换器内氧浓度扩散和分布特性数值模拟研究。通过对气相控氧和固相控氧的共同特性进行研究，将控氧过程中的多相流物理现象简化为单相模拟，可以基于一套方法同时完成气相和固相控氧的数值模拟。本发明具有资源占用低、结果可靠性高的特点，可用于铅冷快堆氧控实验预分析，有助于节省实验资源，获得更好的实验效果。

Description

一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法
技术领域
本发明涉及铅冷快堆计算流体力学模拟技术领域，具体涉及一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法。
背景技术
铅冷快堆是指以液态金属铅或铅秘合金(统称铅基冷却剂)为冷却剂的一类反应堆，属于第四代反应堆，具有优秀的中子经济性和安全性，在小型化和模块化方面有广阔发展前景。铅基冷却剂对结构材料的腐蚀作用是制约铅冷快堆发展的关键问题，目前针对腐蚀问题最具可行性的解决方法是通过控制铅基冷却剂中的氧浓度实现的。通过将冷却剂中的氧浓度控制在一定范围内，就可以使得结构材料表面生成一层保护性氧化膜，阻止冷却剂对结构材料的进一步腐蚀。同时，氧浓度的范围还必须保证低于氧化铅和氧化铋的溶解度，防止氧化铅和氧化铋析出，堵塞流动通道。因此，可以看出，氧控防腐蚀的实现关键在于对氧浓度的精确控制。
目前控氧技术主要分为两方面，气相控氧和固相控氧。气相控氧通过气体与铅基冷却剂的表面氧气质量交换使氧气溶解于冷却剂中，需要降低氧浓度时，可以通过氢气与铅基冷却剂的反应将多余氧气带走，即可实现氧浓度的控制。气相控氧根据使用气体不同主要分为氢气/氧气控氧和氢气/水控氧两种。固相控氧中，控制铅基冷却剂流经氧化铅质量交换器，通过调节通过的铅基冷却剂温度和流量即可改变质量交换器出口的氧浓度，从而对系统中氧浓度进行控制。
由于铅冷快堆是一个新型的反应堆，各个国家对其研究还尚处于探索阶段。对于氧控技术的研究主要集中在实验方面，而氧控实验需要特制的氧浓度测量仪，造价高且易损坏，因此在实验前需要针对实验工况进行数值模拟预分析。目前尚未报道有关于铅基冷却剂氧浓度扩散数值模拟方法方面的研究。
发明内容
针对上述存在技术问题，本发明提供一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法，可以同时用于气相控氧和固相控氧数值模拟，计算消耗资源低，计算结果可信度高，可以为控氧实验提供预分析，减少实验成本。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法，步骤如下：
步骤1：氧控装置建模：氧控装置计算模型只包括液体部分，将气体和固体部分简化为给定氧浓度的边界条件；其中气相控氧中认为气液两相交接面维持不变，将气液两相交界面建模为固定壁面；固相控氧中首先采用离散单元法进行氧化铅颗粒随机堆积模拟，利用堆积结果进行流体力学建模，建模中不包括氧化铅颗粒，只针对铅基冷却剂工质流道进行氧控装置建模；
步骤2：网格生成：固相控氧中氧化铅为小球形式，氧化铅小球之间相互接触，因此需要对氧化铅小球直径进行微调便于网格生成，网格生成中需保证氧化铅颗粒表面第一层边界层网格位于层流子层内，便于采用近壁面处理模型进行边界层内氧扩散计算；
步骤3：物性调用和氧控装置计算模型设置：由于氧气在铅基冷却剂中溶解度非常低，因此氧气和铅基冷却剂混合后的物性依然采用铅基冷却剂本身物性；湍流模型选择中，气相控氧模拟选择标准k-ε湍流模型，固相控氧模拟选择SST k-ω湍流模型；边界层处理模型选择中，气相控氧模拟选择Enhanced壁面处理模型，固相控氧模拟使用SST k-ω湍流模型默认的边界层处理模型；对于铅铋工质，湍流施密特数设置为0.9；
步骤4：氧控装置计算模型及边界条件设置：边界条件包括入口流速、入口湍流强度、入口氧浓度、入口温度和边界氧浓度；边界氧浓度根据控氧方式确定，计算公式如下：
若为氢气+氧气型气相控氧或固相控氧，则边界处氧浓度达到饱和，即：
Figure BDA0002597227000000021
式中：
Figure BDA0002597227000000022
——边界处氧浓度，单位为wt％；
T——温度，单位为K；
若为氢气+水型气相控氧，则边界处氧浓度为给定氢气和水体积比下的平衡氧气分压对应的平衡氧浓度：
平衡氧分压
Figure BDA0002597227000000031
计算公式：
Figure BDA0002597227000000032
式中：
P0——参考压力，单位为Pa；
Figure BDA0002597227000000033
——气氛中氢气分压，单位为Pa；
Figure BDA0002597227000000034
——气氛中氧气分压，单位为Pa；
Figure BDA0002597227000000035
——气氛中水蒸气分压，单位为Pa；
K——反应平衡常数；
对应的平衡氧浓度CO,e计算公式：
Figure BDA0002597227000000036
式中：
CO，e——平衡氧浓度，单位为wt％；
步骤5：采用SIMPLE算法，设置氧气浓度离散格式为二阶迎风格式，开展稳态计算至出口平均氧浓度收敛到一个稳定值。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明的分析方法能够求解铅冷快堆氧控过程中氧浓度扩散分布特性，补全了现有的计算需求空白；
2、本发明针对气相控氧和固相控氧的共性条件进行整合，使得一套计算方法可以同时用于两种控氧方式计算；
3、本发明在充分研究氧控过程的基础上，在维持计算精度的情况下，对氧控物理现象进行了合理简化，从两相计算简化为单相计算，大大节省了计算资源。
附图说明
图1为本发明计算流程框图。
图2为气相控氧装置建模网格划分。
图3为固相控氧装置中氧化铅质量交换器建模。
图4位固相控氧装置中氧化铅小球表面边界层网格设置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明方法作进一步详细说明：
实施案例1：
一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法用于氢气+水气相控氧，步骤如下：
步骤1：氧控装置建模。氧控装置计算模型只包括液体部分，液体部分高度为总高度1/3，将气体部分简化为给定氧浓度的边界条件，认为气液两相交接面维持不变，将气液两相交界面建模为固定壁面；
步骤2：网格生成。如图2所示，图中301为铅铋合金入口，303为铅铋合金出口，302为汽液交界面，在汽液交界面303附近进行了网格的局部加密。
步骤3：物性调用和氧控装置计算模型设置：由于氧气在铅基冷却剂中溶解度非常低，因此氧气和铅基冷却剂混合后的物性依然采用铅基冷却剂本身物性；湍流模型选择中，气相控氧模拟选择标准k-ε湍流模型；边界层处理模型选择中，气相控氧模拟选择Enhanced壁面处理模型；对于铅铋工质，湍流施密特数设置为0.9；
物性参数如下：
ρLBE＝11096-1.3236T
Cp,LBE＝159-2.72×10-2T+7.12×10-6T2
λLBE＝3.61+1.517×10-2T-1.741×10-6T2
μLBE(T)＝(4.56-7.03×10-3T+3.61×10-6T2)×10-3
Figure BDA0002597227000000051
式中：
ρLBE——铅基合金密度/kg·m-3
T——铅基合金温度/K
Cp,LBE——铅基合金热容/J·K-1
λLBE——铅基合金热导率/W·m-1·K-1
μLBE(T)——铅基合金动力粘度/N·s·m-2
DO-LBE(T)——氧气在铅铋合计中扩散系数/m2·s
本实例中，湍流模型选择标准k-ε模型，湍流施密特数为0.9，壁面处理选择Enhanced Wall Treatment。
步骤4：计算模型及边界条件设置。边界条件包括入口流速、入口湍流强度、入口氧浓度、入口温度和边界氧浓度。
本实例中，入口流速0.2m/s，温度643K，湍流强度4.11％，湍流粘度比0.00987，入口氧浓度1×10-8wt％。
本实例采用氢气+水型气相控氧，则边界处氧浓度为给定氢气和水体积比下的平衡氧气分压对应的平衡氧浓度：
平衡氧分压
Figure BDA0002597227000000052
计算公式：
Figure BDA0002597227000000053
式中：
P0——参考压力，单位为Pa；
Figure BDA0002597227000000054
——气氛中氢气分压，单位为Pa；
Figure BDA0002597227000000061
——气氛中氧气分压，单位为Pa；
Figure BDA0002597227000000062
——气氛中水蒸气分压，单位为Pa；
K——反应平衡常数；
对应的平衡氧浓度CO,e计算公式：
Figure BDA0002597227000000063
式中：
CO,e——平衡氧浓度，单位为wt％；
步骤5：采用SIMPLE算法，设置氧气浓度离散格式为二阶迎风格式，开展稳态计算至出口平均氧浓度收敛到一个稳定值。
最终计算得到出口出氧浓度为4.01×10-7wt％。
实施案例2：
一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法用于固相控氧，步骤如下：
步骤1：氧控装置建模。氧控装置计算模型只包括液体部分，将气体和固体部分简化为给定氧浓度的边界条件；本实例为固相控氧，因此首先采用离散单元法进行氧化铅颗粒随机堆积模拟，利用堆积结果进行流体力学建模，建模中不包括氧化铅颗粒，只针对铅基冷却剂工质流道进行建模。如图3所示，左侧为铅铋合金入口段，右侧为铅铋合金出口段，黑色阴影球体表示氧化铅颗粒表面。
步骤2：网格生成。固相控氧中氧化铅通常为小球形式，氧化铅小球之间相互接触，因此需要对小球直径进行微调便于网格生成，网格生成中需保证氧化铅颗粒表面第一层边界层网格位于层流子层内，便于采用近壁面处理模型进行边界层内氧扩散计算。图4为氧化铅颗粒网格划分局部放大，图中第一层网格高度为3e-5m。
步骤3：物性调用和计算模型设置。由于氧气在铅基冷却剂中溶解度非常低，因此二者混合后的物性依然采用铅基冷却剂本身物性。湍流模型选择中，固相控氧模拟选择SSTk-ω湍流模型；边界层处理模型选择中，固相控氧模拟使用SST k-ω湍流模型默认的边界层处理模型；对于铅铋工质，湍流施密特数设置为0.9；
步骤4：计算模型及边界条件设置。边界条件包括入口流速、入口湍流强度、入口氧浓度、入口温度和边界氧浓度。
本实例中，入口温度为643K，入口流速0.1m/s，入口氧浓度9.15×10-7wt％。
本实例采用固相控氧，交界面氧浓度为饱和氧浓度，即：
Figure BDA0002597227000000071
CO,s——边界处氧浓度，单位为wt％；
T——温度，单位为K；
步骤5：采用SIMPLE算法，设置氧气浓度离散格式为二阶迎风格式，开展稳态计算至出口平均氧浓度收敛到一个稳定值。
计算得到出口氧浓度为1.53×10-6wt％。
由以上实例可以看出，本发明可以成功完成气相控氧和固相控氧过程中氧浓度扩散和分布特性，计算结果可以输出质量交换器内氧浓度分布情况和平均出口氧浓度，对质量交换器性能进行评估。

Claims (1)

1.一种铅冷快堆控氧过程中氧浓度扩散数值模拟方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：氧控装置建模：氧控装置计算模型只包括液体部分，将气体和固体部分简化为给定氧浓度的边界条件；其中气相控氧中认为气液两相交接面维持不变，将气液两相交界面建模为固定壁面；固相控氧中首先采用离散单元法进行氧化铅颗粒随机堆积模拟，利用堆积结果进行流体力学建模，建模中不包括氧化铅颗粒，只针对铅基冷却剂工质流道进行氧控装置建模；
步骤2：网格生成：固相控氧中氧化铅为小球形式，氧化铅小球之间相互接触，因此需要对氧化铅小球直径进行微调便于网格生成，网格生成中需保证氧化铅颗粒表面第一层边界层网格位于层流子层内，便于采用近壁面处理模型进行边界层内氧扩散计算；
步骤3：物性调用和氧控装置计算模型设置：由于氧气在铅基冷却剂中溶解度非常低，因此氧气和铅基冷却剂混合后的物性依然采用铅基冷却剂本身物性；湍流模型选择中，气相控氧模拟选择标准k-ε湍流模型，固相控氧模拟选择SST k-ω湍流模型；边界层处理模型选择中，气相控氧模拟选择Enhanced壁面处理模型，固相控氧模拟使用SST k-ω湍流模型默认的边界层处理模型；对于铅铋工质，湍流施密特数设置为0.9；
步骤4：氧控装置计算模型及边界条件设置：边界条件包括入口流速、入口湍流强度、入口氧浓度、入口温度和边界氧浓度；边界氧浓度根据控氧方式确定，计算公式如下：
若为氢气+氧气型气相控氧或固相控氧，则边界处氧浓度达到饱和，即：
Figure FDA0002597226990000011
式中：
CO,s——边界处氧浓度，单位为wt％；
T——温度，单位为K；
若为氢气+水型气相控氧，则边界处氧浓度为给定氢气和水体积比下的平衡氧气分压对应的平衡氧浓度：
平衡氧分压
Figure FDA0002597226990000021
计算公式：
Figure FDA0002597226990000022
式中：
P0——参考压力，单位为Pa；
Figure FDA0002597226990000023
——气氛中氢气分压，单位为Pa；
Figure FDA0002597226990000024
——气氛中氧气分压，单位为Pa；
Figure FDA0002597226990000025
——气氛中水蒸气分压，单位为Pa；
K——反应平衡常数；
对应的平衡氧浓度CO,e计算公式：
Figure FDA0002597226990000026
式中：
CO,e——平衡氧浓度，单位为wt％；
步骤5：采用SIMPLE算法，设置氧气浓度离散格式为二阶迎风格式，开展稳态计算至出口平均氧浓度收敛到一个稳定值。
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