CN113609732B - 一种蒸汽发生器管束支承板区域数值模拟计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽发生器管束支承板区域数值模拟计算方法，包括以下步骤：1.在ICEM软件中按照支承板形状不同采取不同方式对其进行网格划分；2.设置支承板网格的边界条件类型，输出网格文件为msh格式；3.将网格文件导入OpenFOAM并进行格式转换；4.按照网格编号顺序将支承板上、下表面网格分割成相互重叠的两个独立边界；5.将分割得到的两个独立边界均设置为循环边界类型，并配对为一组循环边界；6.对两个循环边界上的压力添加阶跃变化，使温度、速度、空泡份额在通过循环边界时保持不变；本发明解决了开展蒸汽发生器数值模拟计算时，管束支承板区域几何建模复杂，计算资源耗费大，难以对支承板区域的压力阶跃现象进行精细考虑和模拟计算等问题。

Description

一种蒸汽发生器管束支承板区域数值模拟计算方法

技术领域

本发明属于核动力系统热工水力计算方法技术领域，具体涉及到一种蒸汽发生器管束支承板区域数值模拟计算方法。

背景技术

蒸汽发生器是压水堆核动力系统中连接一/二回路的关键设备，承担着一/二回路传热边界和压力边界的重要功能。高保真的三维数值模拟，是辅助蒸发器安全运行及优化设计的重要手段。管束支承板作为蒸汽发生器内的一个重要部件，起着稳定传热管位置，保障传热管机械性能，稳定蒸发器内部流场的重要作用。但由于管束支承板含有的数以千计的管孔、拉杆孔等，结构非常复杂，在蒸汽发生器的数值模拟中对其进行精细建模会大大增加网格数量，耗费大量计算资源。给蒸汽发生器的数值模拟带来了许多困难。

针对这一问题，已有的一些方法是：在蒸汽发生器建模时不对支承板进行建模，将蒸发器管束区视作完全流通的区域，这种方法大大简化了计算，但忽略了支承板带来的阶跃压降以及其对流场的影响，难以获得精细的流场信息，因此是不推荐的；改进方法是将其视作多孔介质区域，借助商业软件FLUENT中内置的多孔跳跃边界进行模拟，但基于商业软件进行蒸汽发生器数值模拟计算时会受到代码的闭源性以及并行核心数的限制，制约着程序的深入开发及大型算例的开展；目前，基于可操作性强、自由度高的开源平台OpenFOAM开展蒸汽发生器数值模拟计算，能够克服商业软件开源性差、并行度低等缺陷，已逐渐受到国内外学者和研究机构广泛关注。然而，对于蒸汽发生器管束支承板这种结构复杂、具有压力阶跃现象的特殊内部边界，在OpenFOAM中尚没有较好的方法对流体流经管束支承板时的压力阶跃等物理现象进行精细考虑和模拟计算。

因此开发一种蒸汽发生器管束支承板区域数值模拟计算方法，对于在OpenFOAM中开展蒸汽发生器三维高保真热工水力数值模拟和分析计算是十分重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种蒸汽发生器管束支承板区域的数值模拟计算方法，该方法通过网格划分、分割、边界条件改写等手段，解决了在开源平台OpenFOAM中难以对管束支承板这一特殊区域进行精细考虑和模拟计算的问题，避免了使用商业软件进行模拟时带来的开源性弱、并行性差的缺陷，简化了支承板的几何建模，节省了计算资源，为在OpenFOAM中实现蒸汽发生器三维高保真热工水力数值模拟和分析计算提供了可能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种蒸汽发生器管束支承板区域数值模拟计算方法，包括如下步骤：

步骤1：在网格划分软件ICEM中根据管束支承板的不同形状，采用不同方式划分支承板的网格，具体步骤如下：

步骤1-1：在网格划分软件ICEM中对整个蒸汽发生器创建一个网格块(BLOCK)，以管束支承板所在面为交界面将此网格块划分为若干个子网格块；

步骤1-2：在网格划分软件ICEM中利用创建面功能在每层管束支承板所在位置创建几何面，然后采用“面—面关联”功能将管束支承板的几何面与子网格块间的交界面进行关联；

步骤1-3：若管束支承板形状为圆形，则对其进行O型剖分，以减小网格歪斜度，提高网格质量；若管束支承板形状为矩形，则对其进行C型剖分，保证支承板网格按照先上表面、后下表面的顺序进行编号，以便在步骤4中能够按照网格编号顺序将上、下表面网格分割；

步骤2：在网格划分软件ICEM中设置支承板网格输出边界条件类型为多孔跳跃边界(porous-jump)类型，设置网格文件的编码格式为ASCII码格式以便能在步骤3中被OpenFOAM平台识别和转换，然后输出网格为msh格式；

步骤3：将msh格式的网格文件放置到OpenFOAM工作文件夹下并打开终端窗口，在终端窗口内输入网格转换命令“fluent3DMeshToFoam”将其转换为OpenFOAM可识别的网格文件，该网格文件储存在OpenFOAM工作文件夹下的“polyMesh”子文件夹内；

步骤4：在终端窗口内输入网格分割命令“foamUpgradeCyclics”，实现支承板上、下表面网格的分割：对于网格总数目为N的支承板面网格，将网格编号为

的上表面网格划分为一个独立边界A，将网格编号为

的下表面网格划分为另一个独立边界B；

步骤5：修改“polyMesh”文件夹下的边界网格字典文件“boundary”，将步骤4分割得到的两个独立边界A、B均设置为循环边界类型，并将边界A、B相互配对作为一组循环边界，使得流体能够在A、B两个边界间流通；

步骤6：在OpenFOAM内置的边界条件“fanPressureJump”基础上对其进行改写：令支承板上、下表面两个循环边界之间产生一个压力阶跃；考虑到将支承板采用多孔介质模型处理，该压力阶跃可分为粘性损失和惯性损失两部分，即：

Δp＝p_down-p_up＝Δp_vis+Δp_ine (1)

其中：

Δp——两个循环边界间的阶跃压降，kg·m^-1·s^-2；

p_up、p_down——支承板上、下表面压力，kg·m^-1·s^-2；

Δp_vis、Δp_ine——压力阶跃的粘性部分、惯性损失部分，kg·m^-1·s^-2，分别按照下式计算：

其中：

ρ——流经支承板流体的密度，kg·m^-3；

μ——流经支承板流体的动力粘度，kg·m^-1·s^-1；

C₂——支承板惯性损失系数，无量纲；

k——支承板渗透率，无量纲；

Δm——支承板的厚度，m；

U_n——支承板法向方向上的流体速度，m·s^-1，可以按照下式进行计算：

其中：

——流经支承板的流体速度，m·s^-1；

——支承板几何面的单位法向量，无量纲；

对于流场中的其他变量：速度

温度T及空泡份额α，保持这些变量在通过管束支承板上下表面边界A、B时恒定不变，即：

其中：

——流经支承板上、下表面流体的速度，m·s^-1；

T_up、T_down——流经支承板上、下表面流体的温度，K；

a_up、a_down——流经支承板上、下表面流体的空泡份额，无量纲；

按照式(1)～(3)改写原有边界条件后，将其重新编译作为一个新的边界条件赋予给支承板A、B边界，设定速度、温度、压力、空泡份额的初始数值，选取初始数值离散格式，设定最终收敛条件，开始数值模拟计算。

最终模拟计算完成后，可以实现在不对蒸汽发生器管束支承板进行精细几何建模的情况下，模拟出支承板带来的压力阶跃等物理现象，对管束支承板区域实现高保真的数值计算，为蒸汽发生器的三维高保真热工水力数值模拟计算提供更加精细的流场数据。

与现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1)能够在开源平台OpenFOAM中对流体流经管束支承板区域时的压力阶跃现象进行精细考虑和模拟计算；

2)通过该方法对支承板区域进行数值模拟计算，能为蒸汽发生器腐蚀沉积、放射性物质迁移等研究提供更为准确的流场信息；

3)该方法通用性强，能够应用到流量分配板、丝网等类似于管束支承板的复杂工业构件数值模拟中。

附图说明

图1a和图1b分别为圆形何矩形的支承板网格划分及分割示意图。

图2a和图2b分别为应用本发明方法得到的支承板区域流体压力云图和压力变化曲线图。

图3为本发明方法的流程图。

具体实施方式

以下结合图3所示的本发明流程图，以图1a和图1b中所示的55/19B型蒸汽发生器和MB-2蒸汽发生器为例，对本发明作进一步的详细描述：

本发明一种蒸汽发生器管束支承板区域数值模拟计算方法，包括以下步骤：

步骤1：在网格划分软件ICEM中根据管束支承板的不同形状，采用不同方式划分支承板的网格，具体步骤如下：

步骤1-1：在网格划分软件ICEM中对整个蒸汽发生器创建一个网格块(BLOCK)，以管束支承板所在面为交界面将此网格块划分为若干个子网格块；

步骤1-2：在网格划分软件ICEM中利用创建面功能在每层管束支承板所在位置创建几何面，然后采用“面—面关联”功能将管束支承板的几何面与子网格块间的交界面进行关联；

步骤1-3：若管束支承板为如图1a所示的55/19B型蒸汽发生器的圆形支承板，则对其进行O型剖分，以减小网格歪斜度，提高网格质量；若管束支承板为如图1b所示的MB-2型蒸汽发生器的矩形支承板，则对其进行C型剖分，保证支承板网格按照先上表面、后下表面的顺序进行编号，以便在步骤4中能够按照网格编号顺序将上、下表面网格分割；

步骤2：在网格划分软件ICEM中设置支承板网格输出边界条件类型为多孔跳跃边界(porous-jump)类型，设置网格文件的编码格式为ASCII码格式以便能在步骤3中被OpenFOAM平台识别和转换，然后输出网格为msh格式；

步骤3：将msh格式的网格文件放置到OpenFOAM工作文件夹下并打开终端窗口，在终端窗口内输入网格转换命令“fluent3DMeshToFoam”将其转换为OpenFOAM可识别的网格文件，该网格文件储存在OpenFOAM工作文件夹下的“polyMesh”子文件夹内；

步骤4：在终端窗口内输入网格分割命令“foamUpgradeCyclics”，将支承板上、下表面网格分割：对于网格总数目为N的支承板面网格，将网格编号为

的上表面网格划分为一个独立边界A，将网格编号为

的下表面网格划分为另一个独立边界B；

步骤5：修改“polyMesh”文件夹下的边界网格字典文件“boundary”，将步骤4分割得到的两个独立边界A、B均设置为循环边界类型，并将边界A、B相互配对作为一组循环边界，使得流体能够在A、B两个边界间流通，如图1a和图1b所示。另外在图1a和图1b中为方便描述，将循环边界A、B分开了一段距离距离，实际上两个边界之间的距离ΔZ为0；

步骤6：在OpenFOAM内置的边界条件“fanPressureJump”基础上对其进行改写：令支承板上、下表面两个循环边界之间产生一个压力阶跃。考虑到将支承板采用多孔介质模型处理，该压力阶跃可分为粘性损失和惯性损失两部分，即：

Δp＝p_down-p_up＝Δp_vis+Δp_ine (1)

其中：

Δp——两个循环边界间的阶跃压降，kg·m^-1·s^-2；

p_up、p_down——支承板上、下表面压力，kg·m^-1·s^-2；

Δp_vis、Δp_ine——压力阶跃的粘性部分、惯性损失部分，kg·m^-1·s^-2，分别按照下式计算：

其中：

ρ——流经支承板流体的密度，kg·m^-3；

μ——流经支承板流体的动力粘度，kg·m^-1·s^-1；

C₂——支承板惯性损失系数，无量纲；

k——支承板渗透率，无量纲；

Δm——支承板的厚度，m；

U_n——支承板法向方向上的流体速度，m·s^-1，可以按照下式进行计算：

其中：

——流经支承板的流体速度，m·s^-1；

——支承板几何面的单位法向量，无量纲；

对于流场中的其他变量：速度

温度T及空泡份额α，保持这些变量在通过管束支承板上下表面边界A、B时恒定不变，即：

其中：

——流经支承板上、下表面流体的速度，m·s^-1；

T_up、T_down——流经支承板上、下表面流体的温度，K；

a_up、a_down——流经支承板上、下表面流体的空泡份额，无量纲；

按照式(1)～(3)改写原有边界条件后，将其重新编译作为一个新的边界条件赋予给支承板A、B边界，设定速度、温度、压力、空泡份额的初始数值，选取数值离散格式，设定最终收敛条件，开始数值模拟计算。

最终模拟计算完成后，可以得到如图2a和图2b所示的模拟结果。从图2a的压力云图及图2b的压力变化曲线图中均可以看出：流体在流经每层支承板时压力会骤然降低，说明采用本发明方法很好地模拟出了支承板引入的压力阶跃的物理现象，实现了对管束支承板区域的高保真数值计算。该方法能够为蒸汽发生器的三维高保真热工水力数值模拟计算提供更加精细的流场数据。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种蒸汽发生器管束支承板区域数值模拟计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在网格划分软件ICEM中根据管束支承板的不同形状，采用不同方式划分支承板的网格，具体步骤如下：

步骤1-1：在网格划分软件ICEM中对整个蒸汽发生器创建一个网格块BLOCK，以管束支承板所在面为交界面将此网格块划分为若干个子网格块；

步骤1-2：在网格划分软件ICEM中利用创建面功能在每层管束支承板所在位置创建几何面，然后采用“面—面关联”功能将管束支承板的几何面与子网格块间的交界面进行关联；

步骤1-3：若管束支承板形状为圆形，则对其进行O型剖分，以减小网格歪斜度，提高网格质量；若管束支承板形状为矩形，则对其进行C型剖分，保证支承板网格按照先上表面、后下表面的顺序进行编号，以便在步骤4中能够按照网格编号顺序将上、下表面网格分割；

步骤2：在网格划分软件ICEM中设置支承板网格输出边界条件类型为多孔跳跃边界porous-jump类型，设置网格文件的编码格式为ASCII码格式以便能在步骤3中被OpenFOAM平台识别和转换，然后输出网格为msh格式；

步骤3：将msh格式的网格文件放置到OpenFOAM工作文件夹下并打开终端窗口，在终端窗口内输入网格转换命令“fluent3DMeshToFoam”将其转换为OpenFOAM可识别的网格文件，该网格文件储存在OpenFOAM工作文件夹下的“polyMesh”子文件夹内；

步骤4：在终端窗口内输入网格分割命令“foamUpgradeCyclics”，实现支承板上、下表面网格的分割：对于网格总数目为N的支承板面网格，将网格编号为

的上表面网格划分为一个独立边界A，将网格编号为

的下表面网格划分为另一个独立边界B；

步骤5：修改“polyMesh”文件夹下的边界网格字典文件“boundary”，将步骤4分割得到的两个独立边界A、B均设置为循环边界类型，并将边界A、B相互配对作为一组循环边界，使得流体能够在A、B两个边界间流通；

步骤6：在OpenFOAM内置的边界条件“fanPressureJump”基础上对其进行改写：令支承板上、下表面两个循环边界之间产生一个压力阶跃；考虑到将支承板采用多孔介质模型处理，该压力阶跃分为粘性损失和惯性损失两部分，即：

Δp＝p_down-p_up＝Δp_vis+Δp_ine (1)

其中：

Δp——两个循环边界间的阶跃压降，kg·m^-1·s^-2；

p_up、p_down——支承板上、下表面压力，kg·m^-1·s^-2；

Δp_vis、Δp_ine——压力阶跃的粘性部分、惯性损失部分，kg·m^-1·s^-2，分别按照下式计算：

其中：

ρ——流经支承板流体的密度，kg·m^-3；

μ——流经支承板流体的动力粘度，kg·m^-1·s^-1；

C₂——支承板惯性损失系数，无量纲；

k——支承板渗透率，无量纲；

Δm——支承板的厚度，m；

U_n——支承板法向方向上的流体速度，m·s^-1，按照下式进行计算：

其中：

流经支承板的流体速度，m·s^-1；

支承板几何面的单位法向量，无量纲；

对于流场中的其他变量：速度

温度T及空泡份额α，保持这些变量在通过管束支承板上下表面边界A、B时恒定不变，即：

其中：

流经支承板上、下表面流体的速度，m·s^-1；

T_up、T_down——流经支承板上、下表面流体的温度，K；

a_up、a_down——流经支承板上、下表面流体的空泡份额，无量纲；

按照式(1)～(3)改写原有边界条件后，将其重新编译作为一个新的边界条件赋予给支承板A、B边界，设定速度、温度、压力、空泡份额的初始数值，选取初始数值离散格式，设定最终收敛条件，开始数值模拟计算；

最终模拟计算完成后，实现在不对蒸汽发生器管束支承板进行精细几何建模的情况下，模拟出支承板带来的压力阶跃物理现象，对管束支承板区域实现高保真的数值计算，为蒸汽发生器的三维高保真热工水力数值模拟计算提供更加精细的流场数据。

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