CN112685976A - 一种运动条件下自然循环系统数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动条件下自然循环系统数值模拟方法，步骤如下：1、基于相同几何运动容器内含有空气泡流体域建立两套相同的CFD计算模型；2、分别通过动量源项法和动网格方法对步骤1中两套模型开展瞬态计算，得到容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化；3、对比步骤2中两种方法计算所得结果，调整动网格方法设置参数，两种方法所得结果趋于一致，得到动网格方法的最佳设置参数；4、建立双环路自然循环回路计算模型；5、采用步骤3中的动网格方法设置参数，针对步骤4中模型开展瞬态计算。该方法更贴近真实物理现象，对运动条件下自然循环系统中两相流动传热现象的研究有重要意义，有利于核动力系统运动条件下的自然循环特性研究。

Description

一种运动条件下自然循环系统数值模拟方法

技术领域

本发明属于方法发明技术领域，具体设计一种运动条件下自然循环系统数值模拟方法。

背景技术

海洋核动力系统长期在海洋环境中工作，会受到海洋中风浪的作用，产生倾斜、摇摆、起伏等六个自由度的运动。海洋条件会对系统运行产生两方面的影响，一方面瞬变的外力场使流体产生附加作用力，冷却剂流动和传热特性更为复杂；另一方面会改变自然循环系统的空间位置，造成非惯性坐标系重力场方向发生变化。自然循环系统由于驱动压头较小，并且受冷热源高度差影响较大，在运动条件下热工参数会与平台运动形态形成非线性耦合关系，与静止条件下有着很大不同，尤其是当自然循环出现两相时，海洋运动-空泡份额-驱动力及系统流量之间会形成复杂的耦合关系，自然循环系统更容易发生流动不稳定性，这会给海洋核动力装置的安全运行产生不利影响，因此开展海洋核动力系统运动条件下自然循环特性三维两相数值模拟研究对我国现代化国防事业以及海洋经济的开发具有重要的现实意义。

目前国内外对运动条件下核动力系统运动条件下自然循环特性的研究，多是针对单一方向的摇摆运动开展，并且由于实验中自然循环驱动力大小不同，所得结果也不完全统一，甚至会出现相反的变化趋势；对于其他运动条件两相自然循环研究相对较少，核动力系统运动条件下两相流动不稳定起始点的预测理论还不完善，对于低压条件下尚未提出一个有效的不稳定预测边界；目前对于气泡动力学特性的研究主要是针对静止条件开展，公开发表的文献中关于运动条件下气泡动力学特性研究较少，运动条件下气泡运动的行为也不明确，缺乏相关气泡动力学机理模型；对于运动条件下数值模拟研究多是采用修改动量方程的形式来实现，方法较为单一，并且多是针对局部设备开展，关于系统级的三维数值计算相对较少。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种运动条件下自然循环系统数值模拟方法，采用动网格方法来模拟运动过程，对所有控制方程均考虑运动的影响，对整个自然循环系统进行建模，通过动网格方法来模拟自然循环系统中气泡运动的三维两相特性。并对整个自然循环系统进行整体建模，能够实现对运动条件下自然循环特性的详细模拟分析。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

步骤1：建立两套相同尺寸、相同液位高度的运动容器内流体域几何模型，并用同样的方法划分网格，得到两套相同的网格模型；将两套网格模型分别导入到计算流体动力学分析程序中，设定相同的初始条件、边界条件、收敛准则、求解方法，得到两套相同的CFD计算模型；

步骤2：针对步骤1中两套相同的CFD计算模型，在计算流体动力学分析程序中，分别通过动量源项法和动网格方法开展瞬态计算，分别得到运动容器内自由液面位置随时间的变化情况，具体步骤如下：

步骤2-1：基于非惯性参考系，运动质点的动量方程为：

式中，ρ为流体密度，

为质点在非惯性系R中的速度，

为外在作用力，

为质点相对于非惯性参考系位移，

为非惯性参考系相对于惯性参考系的平动加速度,

为质点相对于非惯性参考系的平动加速度；

为离心加速度/m·s^-2；

为切向加速度/m·s^-2；

为科氏加速度/m·s^-2；

代表附加力项，根据具体的不同运动形式，附加力项会有不同的计算方程；在计算流体动力学分析程序中通过用户自定义函数，将附加力项以源项的方式写入动量方程中，用户自定义函数被计算流体动力学分析程序调用，即动量源项法；

步骤2-2：基于惯性参考系，在计算过程中将运动容器看作是刚体，修改动力方程为如下形式：

式中，

为网格移动速度，ρ为混合相密度，

为混合相速度，p为压力，μ为混合相粘度，g为重力加速度，

为表面张力，ρ_g为空气密度，t为时间；在计算流体动力学分析程序中激活动网格功能，调整网格节点运动计算方法的参数，添加动网格宏，即动网格方法；

步骤2-3：针对步骤1中两套相同的CFD计算模型，在计算流体动力学分析程序中，分别通过步骤2-1中动量源项法和步骤2-2中动网格方法开展瞬态计算，得到运动容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况；

步骤3：通过对比两种计算方法下容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况，不断调整步骤2-2中动网格方法中设定的参数，当两种计算方法下容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况一致时，步骤2-2中基于动网格方法的正确性得到验证；

步骤4：对于双环路自然循环回路，建立运动条件下双环路自然循环系统几何模型，利用网格划分工具对双环路自然循环回路进行网格划分，开展网格无关性验证得到最佳网格模型；设置相应的边界条件、初始条件、求解方法、收敛准则，得到双环路自然循环系统计算模型；

步骤5：采用步骤3中得到验证的动网格方法中的参数设定值，针对步骤4中双环路自然循环系统计算模型，在计算流体动力学分析程序中开展瞬态计算，即可实现运动条件下自然循环系统数值模拟，得到运动条件下自然循环的流场特性，如自然循环驱动力、流量、速度等。

本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明方法可以有效预测运动条件下气泡的两相自然循环特性，可以为自然循环系统中气泡动力学特性研究、尤其是运动条件下自然循环系统中气泡动力学特性研究提供参考和补充。

2.本发明方法利用动网格方法模拟运动过程，无需进行复杂的附加力推导，使计算模型更加贴近真实物理过程。

3.本发明方法中，质量、动量、能量等控制方程均考虑了运动的影响，使得计算结果更加准确。

4.该发明方法建立了三维全尺度自然循环特性数值模拟方法，该方法通用性强，可用于不同结构自然循环系统整体性能及局部特性研究。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述，本发明提供了如图1所示一种运动条件下自然循环系统数值模拟方法，具体方法如下：

步骤1：建立两套相同尺寸、相同液位高度的运动容器内流体域几何模型，并用同样的方法划分网格，得到两套相同的网格模型。将两套网格模型分别导入到计算流体动力学分析程序中，设定相同的初始条件、边界条件、收敛准则、求解方法，得到两套相同的CFD计算模型；

步骤2：针对步骤1中两套相同的CFD计算模型，在计算流体动力学分析程序中，分别通过动量源项法和动网格方法开展瞬态计算，分别得到运动容器内自由液面位置随时间的变化情况，具体步骤如下：

步骤2-1：基于非惯性参考系，运动质点的动量方程为：

式中，ρ为流体密度，

为质点在非惯性系R中的速度，

为外在作用力，

为质点相对于非惯性参考系位移，

为非惯性参考系相对于惯性参考系的平动加速度,

为质点相对于非惯性参考系的平动加速度；

为离心加速度/m·s^-2；

为切向加速度/m·s^-2；

为科氏加速度/m·s^-2。

代表附加力项，根据具体的不同运动形式，附加力项会有不同的计算方程。在计算流体动力学分析程序中通过用户自定义函数，将附加力项以源项的方式写入动量方程中，用户自定义函数被计算流体动力学分析程序调用，即动量源项法；

步骤2-2：基于惯性参考系，在计算过程中将运动容器看作是刚体，修改动力方程为如下形式：

式中，

为网格移动速度，ρ为混合相密度，

为混合相速度，p为压力，μ为混合相粘度，g为重力加速度，

为表面张力，ρ_g为空气密度，t为时间；在计算流体动力学分析程序中激活动网格功能，调整网格节点运动计算方法的参数，添加动网格宏，即动网格方法；

步骤2-3：针对步骤1中两套相同的CFD计算模型，在计算流体动力学分析程序中，分别通过步骤2-1中动量源项法和步骤2-2中动网格方法开展瞬态计算，得到运动容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况，

步骤3：通过对比两种计算方法下容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况，不断调整步骤2-2中动网格方法中设定的参数，当两种计算方法下容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况一致时，步骤2-2中基于动网格方法的正确性得到验证；

步骤4：对于双环路自然循环回路，建立运动条件下双环路自然循环系统几何模型，利用网格划分工具对双环路自然循环回路进行网格划分，双环路自然循环回路采用六面体结构化网格，并对弯管处、T型管道处、加热段做加密处理；通过不同的加密程度，在保证网格质量的基础上，划分得到多套数量依次增大的网格，基于不同数量的网格，开展稳态计算，对比某一计算得到物理量随网格数量的变化，当网格数量持续增大，而该物理量变化不大时，说明该套数量的网格的模型是最佳网格模型。设置相应的边界条件、初始条件、求解方法、收敛准则，得到双环路自然循环系统计算模型；

步骤5：采用步骤3中得到验证的动网格方法中的参数设定值，针对步骤4中双环路自然循环系统计算模型，在计算流体动力学分析程序中开展瞬态计算，即可实现运动条件下自然循环系统数值模拟，得到运动条件下自然循环的流场特性，如自然循环驱动力、流量、速度等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能确定本发明的具体实施方式仅限于此，对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种运动条件下自然循环系统数值模拟方法，其特征在于：采用动网格技术来模拟运动过程，对所有控制方程均考虑运动的影响，从而在计算流动传热问题时能够得到更加准确的分析结果，且无需进行复杂的附加力推导，不需要进行复杂的受力分析，使方法更加符合实际物理过程；该方法包括如下步骤：

步骤1：建立两套相同尺寸、相同液位高度的运动容器内流体域几何模型，并用同样的方法划分网格，得到两套相同的网格模型；将两套网格模型分别导入到计算流体动力学分析程序中，设定相同的初始条件、边界条件、收敛准则、求解方法，得到两套相同的CFD计算模型；

步骤2：针对步骤1中两套相同的CFD计算模型，在计算流体动力学分析程序中，分别通过动量源项法和动网格方法开展瞬态计算，分别得到运动容器内自由液面位置随时间的变化情况，具体步骤如下：

步骤2-1：基于非惯性参考系，运动质点的动量方程为：

式中，ρ为流体密度，

为质点在非惯性系R中的速度，

为外在作用力，

为质点相对于非惯性参考系位移，

为非惯性参考系相对于惯性参考系的平动加速度,

为质点相对于非惯性参考系的平动加速度；

为离心加速度/m·s^-2；

为切向加速度/m·s^-2；

为科氏加速度/m·s^-2；

代表附加力项，根据具体的不同运动形式，附加力项会有不同的计算方程；在计算流体动力学分析程序中通过用户自定义函数，将附加力项以源项的方式写入动量方程中，用户自定义函数被计算流体动力学分析程序调用，即动量源项法；

步骤2-2：基于惯性参考系，在计算过程中将运动容器看作是刚体，修改动力方程为如下形式：

式中，

为网格移动速度，ρ为混合相密度，

为混合相速度，p为压力，μ为混合相粘度，g为重力加速度，

为表面张力，ρ_g为空气密度，t为时间；在计算流体动力学分析程序中激活动网格功能，调整网格节点运动计算方法的参数，添加动网格宏，即动网格方法；

步骤2-3：针对步骤1中两套相同的CFD计算模型，在计算流体动力学分析程序中，分别通过步骤2-1中动量源项法和步骤2-2中动网格方法开展瞬态计算，得到运动容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况；

步骤3：通过对比两种计算方法下容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况，不断调整步骤2-2中动网格方法中设定的参数，当两种计算方法下容器内自由液面位置、气泡形状、气泡位置随时间的变化情况一致时，步骤2-2中基于动网格方法的正确性得到验证；

步骤4：对于双环路自然循环回路，建立运动条件下双环路自然循环系统几何模型，利用网格划分工具对双环路自然循环回路进行网格划分，开展网格无关性验证得到最佳网格模型；设置相应的边界条件、初始条件、求解方法、收敛准则，得到双环路自然循环系统计算模型；

步骤5：采用步骤3中得到验证的动网格方法中的参数设定值，针对步骤4中双环路自然循环系统计算模型，在计算流体动力学分析程序中开展瞬态计算，即实现运动条件下自然循环系统数值模拟，得到运动条件下自然循环的流场特性。

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