CN115795715B - 一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统，其中仿真方法包括建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型，进行网格划分并标记螺旋管建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组，离散第一控制方程组，建立壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组，离散第二控制方程组；设定壳侧和管侧的边界条件，初始化壳侧、管侧流场及温度场；对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。本发明的仿真方法壳侧采用多孔介质模型模拟螺旋管束复杂结构，降低网格数量，避免了对螺旋管束进行全尺寸几何建模及网格划分所带来的巨大工作量与计算资源需求。

Description

一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统

技术领域

本发明属于高温气冷堆技术领域，特别涉及一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统。

背景技术

高温气冷堆具有固有安全、系统简化、连续装卸燃料、模块化建造等一系列突出优势，成为了第四代核能系统的优选堆型。螺旋管式换热器因其结构紧凑、吸收热膨胀等优点，被广泛应用于高温气冷堆蒸汽发生器和中间换热器。作为一回路压力边界的同时起到壳侧、管侧热量交换的重要作用，对于反应堆的安全性与经济性具有重要意义。螺旋管式换热器中包含有数量众多的螺旋管，具有长、薄、螺旋弯曲的结构特点，其两侧分布有高温、高压、高速流体，以逆向对流传热形式实现热量交换。在役期间容易受到流致振动、周期性热应力、材料腐蚀等物理和化学作用的影响，可能会出现螺旋管破裂事故，进而导致一回路泄漏、放射性外逸等后果。因此，高温气冷堆螺旋管式蒸发器及换热器热工水力特性在反应堆安全及换热器设计中十分重要。为获得各类工况下温度、压力、流速、对流换热系数等基础热工水力参数的分布，开发适用于螺旋管式蒸发器及换热器的热工水力仿真方法具有重要意义。

螺旋管式蒸发器及换热器热工水力特性分析存在诸多困难。首先，传统的针对压水堆U型管蒸发器及化工领域换热器的仿真模拟仍以集总参数模型为主，侧重于换热器整体流动、换热特性，而无法获得螺旋管束内部精细的流场、温度场分布；其次，螺旋管式换热器体积庞大，建模工作量及仿真所用计算资源过大，目前CFD(Computationa lFluidDynamics，计算流体动力学)软件无法对其热工水力特性进行直接计算分析。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统，采用以下技术方案：

一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，包括：

根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型；

对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管；

基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组；

离散第一控制方程组；

基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组；

离散第二控制方程组；

设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件；

根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场；

对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。

进一步的，根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型具体如下：

根据换热装置内筒直径建立第一圆柱筒体模型；

根据换热装置外筒直径建立与第一圆柱筒体模型同心的第二圆柱筒体模型，其中，第二圆柱筒体模型的直径大于第一圆柱筒体模型直径；

根据螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距建立螺旋管束模型，螺旋管束模型位于第二圆柱筒体模型的内壁与第一圆柱筒体模型的外壁之间；

将第一圆柱筒体模型与第二圆柱筒体模型之间区域全部简化为多孔介质几何模型，获得简化螺旋管式换热装置三维模型。

进一步的，对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管具体如下：

在简化螺旋管式换热装置三维模型中，将多孔介质几何模型的壳侧、管侧划分为三维多孔介质网格；

在三维多孔介质网格中，将每根螺旋管路径扫掠的六面体网格标记为管侧螺旋管所在区域。

进一步的，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型具体如下：

定义网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中管侧流体为一维流动，管侧流体温度仅沿轴向变化，单根螺旋传热管内部轴向各横截面质量流量相同；

定义管侧热力学和热迁移物性参数仅与当前环境温度、环境压力有关；

定义壳侧、管侧均为强制对流换热，将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。

进一步的，第一控制方程组包括管侧稳态一维连续性方程、管侧一维动量守恒方程和管侧一维能量守恒方程。

进一步的，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型具体如下：

将网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中的螺旋管体积之和视为固体体积，将第一圆柱筒体模型和第二圆柱筒体模型之间的环形空间总体积与固体体积之差为流体体积；

通过多孔介质体积孔隙率表征流体流动的流体体积与环形空间总体积之比；

通过表面渗透率表征网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中网格表面流通面积相较于总面积的百分数；

通过Idelchik提出的横掠螺旋管束流动阻力经验关联式计算确定多孔介质流动阻力系数；

通过Zukaskas与Ulinskas提出的经验关联式计算确定多孔介质对流换热系数；

将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。

进一步的，第二控制方程组包括稳态三维连续性方程、三维动量守恒方程和三维能量守恒方程。

进一步的，设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件具体如下：

设定壳侧进口流体质量流量或进口速度，设定壳侧进口流体进口温度，设定壳侧进口流体进口压力；

设定管侧进口流体质量流量或进口速度，设定管侧进口流体进口温度，设定管侧进口流体进口压力。

进一步的，根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场具体如下：

通过壳侧进口流体的速度、压力、温度和密度初始化壳侧流场；通过管侧进口流体的速度、压力、温度和密度初始化螺旋管内表面边界条件。

进一步的，对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布具体如下：

假设壳侧、管侧初始速度场和压力场；

管侧求解离散第一控制方程组，获得管侧所有计算节点对应离散第一控制方程组系数和常数项；

壳侧采用SIMPLE算法求解离散第二控制方程组，获得壳侧所有计算节点对应离散第二控制方程组系数和常数项；

根据管侧所有计算节点对应离散第一控制方程组系数和常数项，以及壳侧所有计算节点对应离散第二控制方程组系数和常数项，迭代计算壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率；

根据壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率，迭代计算壳侧、管侧的所有计算节点温度；其中，所有计算节点温度通过求解能量方程获得；

若计算节点前后两次温度误差小于设定值，则认为计算收敛，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。

进一步的，计算壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率具体如下：

依次进行求解质量守恒方程、通过SIMPLE算法求解动量守恒方程、求解压力修正方程、修正压力和速度、更新速度场、求解湍流方程，获得壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率。

进一步的，流体热工水力参数分布包括流体温度和压力。

进一步的，螺旋管式换热装置几何模型参数包括螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距和换热装置内外筒直径。

本发明还提供一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真系统，包括：

几何模型建立模块，用于根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型；

网格划分模块，用于对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管；

一维计算模型建立模块，用于基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组；

第一方程离散模块，用于离散第一控制方程组；

三维计算模型建立模块，用于基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组；

第二方程离散模块，用于离散第二控制方程组；

边界设定模块，用于设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件；

流场初始化模块，用于根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场；

耦合计算模块，用于对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。

进一步的，几何模型建立模块具体用于：

根据换热装置内筒直径建立第一圆柱筒体模型；

根据换热装置外筒直径建立与第一圆柱筒体模型同心的第二圆柱筒体模型，其中，第二圆柱筒体模型的直径大于第一圆柱筒体模型直径；

根据螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距建立螺旋管束模型，螺旋管束模型位于第二圆柱筒体模型的内壁与第一圆柱筒体模型的外壁之间；

将第一圆柱筒体模型与第二圆柱筒体模型之间区域全部简化为多孔介质几何模型，获得简化螺旋管式换热装置三维模型。

进一步的，网格划分模块具体用于：

在简化螺旋管式换热装置三维模型中，将多孔介质几何模型的壳侧、管侧划分为三维多孔介质网格；

在三维多孔介质网格中，将每根螺旋管路径扫掠的六面体网格标记为管侧螺旋管所在区域。

本发明的有益效果：本发明的仿真方法壳侧采用多孔介质模型模拟氦气横掠螺旋管束复杂结构，可大幅度降低网格数量，统筹兼顾了计算资源与建模效率，在目前计算机能够承受的计算能力下实现对高温气冷堆螺旋管式换热装置热工水力特性精细化计算分析，充分考虑了现有计算机可承受的计算能力，避免了对螺旋管束进行全尺寸几何建模及网格划分所带来的巨大工作量与计算资源需求，可对螺旋管式换热装置进行详细的热工水力分析计算。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法流程示意图；

图2示出了根据本发明实施例的螺旋管式换热装置的三维透视示意图；

图3示出了根据本发明实施例的螺旋管式换热装置的纵剖面结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的多孔介质网格三维示意图；

图5示出了根据本发明实施例的多孔介质网格中螺旋管标记示意图；

图6示出了根据本发明实施例的管侧一维模型离散化计算节点分布示意图；

图7示出了根据本发明实施例的多孔介质空间网格及离散化示意图；

图8示出了根据本发明实施例的基于CFD软件耦合仿真方法总流程示意图；

图9示出了根据本发明实施例的一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明提出的一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法及系统，在目前计算机可承受的计算能力下实现对螺旋管式蒸发器及换热器精细热工水力特性的三维仿真计算，适合于高温气冷堆螺旋管式蒸发器及换热器设计分析，并可推广至能源、化工领域等类似换热器应用场景，为相关设备的设计、加工制造及运行提供指导。

需要说明的是，本发明实施例的换热装置包括螺旋管式蒸发器及换热器。

如图1和图8所示，一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，包括以下步骤：确定螺旋管式换热装置几何模型参数；确定螺旋管式换热装置壳侧、管侧基础物性参数；根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型；对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管；基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组；离散第一控制方程组；基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组；离散第二控制方程组；设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件；根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场；对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。

本发明实施例的仿真方法，管侧采用一维模型，利用一维计算程序迭代求解守恒方程；壳侧采用多孔介质模型模拟氦气横掠螺旋管束复杂结构，可大幅度降低网格数量，统筹兼顾了计算资源与建模效率，在目前计算机能够承受的计算能力下实现对高温气冷堆螺旋管式蒸发器及换热器热工水力特性精细化计算分析。

具体的，如图2和图3所示，螺旋管式换热装置几何模型参数包括螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距和换热装置内外筒直径。

具体的，确定螺旋管式换热装置壳侧、管侧基础物性参数包括确定壳侧、管侧流体以及螺旋管壁材料物性参数或物性计算公式，其中，物性参数包括密度、动力粘度、定压比热容和导热系数。

具体的，根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型包括：

S101、根据换热装置内筒直径建立第一圆柱筒体模型。

S102、根据换热装置外筒直径建立与第一圆柱筒体模型同心的第二圆柱筒体模型，其中，第二圆柱筒体模型的直径大于第一圆柱筒体模型直径。

S103、根据螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距建立螺旋管束模型，螺旋管束模型位于第二圆柱筒体模型的内壁与第一圆柱筒体模型的外壁之间。

S104、将第一圆柱筒体模型与第二圆柱筒体模型之间区域全部简化为多孔介质几何模型，获得简化螺旋管式换热装置三维模型。

例如，由5层螺旋管组成的螺旋管束的螺旋管式换热器的几何结构如下：沿螺旋管式换热器筒体径向由内至外编号为1－5层，对应螺旋管个数分别为14根、16根、18根、20根和22根，壳侧氦气自上而下横掠螺旋管束，管侧流体(水或氦气)自下而上流进螺旋管内部，壳侧、管侧逆流传热；螺旋管束呈轴对称分布，各层螺旋管按一定倾斜角度螺旋上升；纵剖面中同一层不同螺旋管以螺距为单位沿轴向依次排列，同一根螺旋管以该层螺旋管根数为单位间隔出现。

在一个实施例中，如图4和图5所示，对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管具体如下：

S201、在简化螺旋管式换热装置三维模型中，将多孔介质几何模型的壳侧、管侧划分为三维多孔介质网格。

本步骤中，利用CFD前处理软件划分螺旋管式换热器三维模型多孔介质域网格，可以减少网格数量、加快计算收敛，采用结构化网格，保证了螺旋管所在空间的网格密度，满足CFD数值计算要求。

S202、在三维多孔介质网格中，将每根螺旋管路径扫掠的六面体网格标记为管侧螺旋管所在区域。

例如，螺旋管式换热器中长度为2个螺距的第3层单根螺旋管所在区域即图4和图5中的螺旋线，这个区域的多孔介质域网格代表螺旋管及管内流体，会吸热或者放热。

在一个实施例中，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型具体如下：

S301、定义网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中管侧流体为一维流动，管侧流体温度仅沿轴向变化，单根螺旋传热管内部轴向各横截面质量流量相同。

S302、定义管侧热力学和热迁移物性参数仅与当前环境温度、环境压力有关。

S303、定义壳侧、管侧均为强制对流换热，不考虑进、出口效应。将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。

具体的，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型的第一控制方程组包括：

S401、建立管侧稳态一维连续性方程，具体如下：

其中，ρ为密度，u_ave为管内平均流速，z为轴向的长度。

S402、建立管侧一维动量守恒方程，具体如下：

其中，P为管内流体压力，α为螺旋管螺旋倾角，f为螺旋管内摩擦阻力系数，g为重力加速度，F为摩擦阻力产生的动量源项具体如下：

式中，d_i为第i层螺旋直径，i为螺旋管的层编号。

S403、建立管侧一维能量守恒方程，具体如下：

式中，h为管侧流体焓值。

其中，Φ表示能量源项，具体如下：

其中，K为壳侧、管侧总传热系数，具体如下：

式中，T_管侧为管侧流体平均温度，T_壳侧为壳侧流体平均温度，A_w为控制体传热面积，V为控制体体积，h_管侧为管侧对流换热系数，h_壳侧为壳侧对流换热系数，R_w为螺旋管管壁导热热阻，R_污垢为螺旋管壁面由于杂质沉积形成的污垢热阻，参考大亚湾核电机组蒸汽发生器管侧设计污垢热阻可取为8.8×10^－6m²·K/W，延寿期间为1.937×10^－5m²·K/W，h为管侧流体焓。

进一步的，公式(2)中螺旋管内摩擦阻力系数f采用Zhao等提出的螺旋管内单相流体湍流摩擦阻力系数经验关系式：

其中，Re为雷诺数，ε为粗糙度，δ＝r₀/R为螺旋曲率，r₀为螺旋管内半径，R为螺旋半径。

在一个实施例中，如图6所示，离散第一控制方程组具体如下：

S501、将采用有限体积法将管侧沿轴向离散为n个计算节点。

S502、根据边界条件，对稳态一维连续性方程进行离散，获得离散的一维连续性方程具体如下：

其中，u_n为第n个计算节点管侧流体速度，ρ_n为第n个计算节点管侧流体密度，G为管侧流体质量流量。

S503、将一维动量守恒方程离散为：

P_n＝P_n-1-(ρgsinθ)_n-1Δz_n-1+F_n-1Δz_n-1-(ρu)_n-1(u_n-u_n-1) (6)

式中，Δz_n-1为第n－1个计算节点轴向长度变化量。

S504、将一维能量守恒方程离散为：

其中，Φ_n-1为第n－1个节点处能量源项具体如下：

式中，T_{壳侧，n－1}为第n－1个节点处壳侧流体温度，T_{管侧，n－1}为第n－1个节点处管侧流体温度，A_w，n－1为第n－1个节点处控制体传热面积，V_n－1为第n－1个节点处控制体体积，K_n-1为第n－1个节点处总传热系数具体如下：

利用公式(6)、(7)获得的各计算节点处的管侧流体压力及焓值，根据流体物性函数可获得各计算节点处的管侧流体温度。

在一个实施例中，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型具体如下：

S601、将网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中的螺旋管体积之和视为固体体积，将第一圆柱筒体模型和第二圆柱筒体模型之间的环形空间总体积与固体体积之差为流体体积。

S602、通过多孔介质体积孔隙率表征流体流动的流体体积与环形空间总体积之比。

S603、通过表面渗透率表征网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中网格表面流通面积相较于总面积的百分数。

S604、通过Idelchik提出的横掠螺旋管束流动阻力经验关联式计算确定多孔介质流动阻力系数具体如下：

式中，ζ为多孔介质流动阻力系数，S₁为螺旋管束横向间距，S₂为螺旋管束纵向间距，d₀为螺旋管外径。

S605、通过Zukaskas与Ulinskas提出的经验关联式计算确定多孔介质对流换热系数具体如下：

Nu＝0.27Re^0.63Pr^0.36 (9)

其中，Re、Nu与Pr分别为雷诺数、努塞尔数与普朗特数。

S606、将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。

在一个实施例中，壳侧多孔介质模型利用三维程序进行计算，第二控制方程组包括稳态三维连续性方程、三维动量守恒方程与三维能量守恒方程，由于三维螺旋管式换热装置均呈圆柱或圆管状，稳态三维连续性方程、三维动量守恒方程与三维能量守恒方程均采用圆柱坐标进行表示。

建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型的第二控制方程组具体如下：

S701、建立三维圆柱坐标连续性方程具体如下：

S702、建立三维圆柱坐标动量方程具体如下：

S703、建立三维圆柱坐标能量方程具体如下：

公式(10)－(14)中，ρ为密度；u、v、w分别表示周向、径向与轴向流速；μ为壳侧流体动力粘度；k为导热系数；C_p为定压比热容；T为温度；P为压力；f_v、f_θ、f_r、f_z分别表示多孔介质体积孔隙率和周向、径向与轴向的表面渗透率；θ、r、z分别表示周向、径向与轴向的长度；Φ为方程源项。

在一个实施例中，采用有限体积法对第二控制方程组进行离散，以圆柱坐标系为例，说明空间离散的基本形式。

如图7所示，空间离散是将计算区域用与坐标轴平行的一系列网格线的交点所组成的点集来代替，在每个节点上将控制方程的每一个导数项用其差分形式代替，从而将微分方程组转化为了每个节点上的代数方程，通过求解代数方程组获得所求变量在整个计算区域的值。其中通过压力场为速度场提供有效源项，克服两场间的失耦，计算区域的标量与矢量分别存储在不同的网格节点上，例如压力、温度、密度等标量存储在正常的网格节点上，而将速度等矢量存储在网格界面上。基于三维空间离散化，得到壳侧侧多孔介质离散化控制方程组。

具体的，离散化的第二控制方程组包括：

S801、三维圆柱坐标连续性离散方程：

f_{θ，I，J，K}ρ_I，J，Ku_I，J，KΔrΔz-f_{θ，i-1，J，K}ρ_i-1，J，Ku_i-1，J，KΔrΔz+f_{r，I，j，K}r_jρ_I，j，Kv_I，j，KΔθΔz-f_{r，I，j-1，K}r_j-1ρ_I，j-1，Kv_I，j-1，KΔθΔz+f_{z，I，J，k}r_jρ_I，J，kw_I，j，kΔθΔr-f_{z，I，J，k}-₁r_jρ_I，J，k-1w_I，J，k-1ΔθΔr＝f_{v，I，J，K}Φ_I，J，KΔV (15)

S802、三维圆柱坐标动量离散方程：

S803、三维圆柱坐标能量离散方程：

公式(15)-(19)中，I，J，K分别是三个方向的节点编号，ΔV，Δθ，Δr，Δz分别为控制体体积和周向、径向与轴向的距离变化。

在一个实施例中，设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件具体如下：设定壳侧边界条件，包括壳侧流体进口质量流量(或者进口速度)、进口温度、进口压力。设定管侧边界条件，包括管侧流体质量流量(或者进口速度)、进口温度、进口压力。

在一个实施例中，根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场具体如下：

通过壳侧进口流体的速度、压力、温度和密度初始化壳侧流场。通过管侧进口流体的速度、压力、温度和密度初始化螺旋管内表面边界条件。

其中，管侧进口流体温度设定的边界条件得到，速度、压力和密度由设定的流量、压力等计算确定，进而基于经验公式计算螺旋管内对流换热系数并设定为螺旋管内壁面初始边界条件。后续迭代求解过程中，当地流场、温度场及物性随着迭代的进行实时更新。

在一个实施例中，如图8所示，对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布具体如下：

S901、假设壳侧、管侧初始速度场和压力场。

S902、管侧求解离散第一控制方程组，获得管侧所有计算节点对应离散第一控制方程组系数和常数项。

S903、壳侧采用SIMPLE算法求解离散第二控制方程组，获得壳侧所有计算节点对应离散第二控制方程组系数和常数项。

S904、根据管侧所有计算节点对应离散第一控制方程组系数和常数项，以及壳侧所有计算节点对应离散第二控制方程组系数和常数项，迭代计算壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率。

具体的，计算壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率包括：依次进行求解质量守恒方程、通过SIMPLE算法求解动量守恒方程、求解压力修正方程、修正压力和速度、更新速度场、求解湍流方程，获得壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率。

S905、根据壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率，迭代计算壳侧、管侧的所有计算节点温度，其中，所有计算节点温度通过求解能量方程获得。

S906、若计算节点前后两次温度误差小于设定值，则认为计算收敛，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。其中，流体热工水力参数分布包括流体温度和压力。

基于上述仿真方法，本发明实施例还提供一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真系统包括几何模型建立模块、网格划分模块、一维计算模型建立模块、第一方程离散模块、三维计算模型建立模块、第二方程离散模块、边界设定模块、流场初始化模块和耦合计算模块。

其中，几何模型建立模块用于根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型；网格划分模块用于对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管；一维计算模型建立模块用于基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组；第一方程离散模块用于离散第一控制方程组；三维计算模型建立模块用于基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组；第二方程离散模块用于离散第二控制方程组；边界设定模块用于设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件；流场初始化模块用于根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场；耦合计算模块用于对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。

本发明提出了壳侧三维多孔介质耦合管侧一维计算程序的新型热工水力计算模型及方法，实现了一维模型网格与三维多孔介质网格的耦合计算，克服了目前CFD软件无法进行螺旋管式换热器全比例整体数值模拟的困难。

本发明壳侧流体区域使用多孔介质进行模拟，不仅大幅度减少了网格数量，在普通台式机或者笔记本电脑上即可完成螺旋管式换热装置壳侧、管侧耦合模拟的三维快速计算，在保证计算精度的前提下，提高了设计计算的效率，同时多孔介质的整体设置使得计算的操作复杂程度大为简化。

本发明可以给出螺旋管式换热装置内部流场及温度场详细分布，并对各类因素引起的螺旋管式换热器温度分布不均匀性进行分析计算，包括螺旋直径等几何偏差，流量、温度等热工水力偏差以及堵管效应后的温度分布。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，包括：

根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型；

对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管；

基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组；

离散第一控制方程组；

基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组包括：

建立三维圆柱坐标连续性方程具体如下：

建立三维圆柱坐标动量方程具体如下：

建立三维圆柱坐标能量方程具体如下：

式中，ρ为密度；u、v、w分别表示周向、径向与轴向流速；μ为壳侧流体动力粘度；k为导热系数；C _p为定压比热容；T为温度；P为压力；f _v、f _θ、f _r、f _z分别表示多孔介质体积孔隙率和周向、径向与轴向的表面渗透率；θ、r、z分别表示周向、径向与轴向的长度；Ф为方程源项；

离散第二控制方程组；

设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件；

根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场；

对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。

2.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型具体如下：

根据换热装置内筒直径建立第一圆柱筒体模型；

根据换热装置外筒直径建立与第一圆柱筒体模型同心的第二圆柱筒体模型，其中，第二圆柱筒体模型的直径大于第一圆柱筒体模型直径；

根据螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距建立螺旋管束模型，螺旋管束模型位于第二圆柱筒体模型的内壁与第一圆柱筒体模型的外壁之间；

将第一圆柱筒体模型与第二圆柱筒体模型之间区域全部简化为多孔介质几何模型，获得简化螺旋管式换热装置三维模型。

3.根据权利要求2所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管具体如下：

在简化螺旋管式换热装置三维模型中，将多孔介质几何模型的壳侧、管侧划分为三维多孔介质网格；

在三维多孔介质网格中，将每根螺旋管路径扫掠的六面体网格标记为管侧螺旋管所在区域。

4.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型具体如下：

定义网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中管侧流体为一维流动，管侧流体温度仅沿轴向变化，单根螺旋传热管内部轴向各横截面质量流量相同；

定义管侧热力学和热迁移物性参数仅与当前环境温度、环境压力有关；

定义壳侧、管侧均为强制对流换热，将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。

5.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，第一控制方程组包括管侧稳态一维连续性方程、管侧一维动量守恒方程和管侧一维能量守恒方程。

6.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型具体如下：

将网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中的螺旋管体积之和视为固体体积，将第一圆柱筒体模型和第二圆柱筒体模型之间的环形空间总体积与固体体积之差为流体体积；

通过多孔介质体积孔隙率表征流体流动的流体体积与环形空间总体积之比；

通过表面渗透率表征网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型中网格表面流通面积相较于总面积的百分数；

通过Idelchik提出的横掠螺旋管束流动阻力经验关联式计算确定多孔介质流动阻力系数；

通过Zukaskas与Ulinskas提出的经验关联式计算确定多孔介质对流换热系数；

将管侧、壳侧传热量作为能量方程源项，传热量通过管侧对流换热、壳侧对流换热系数、管壁导热热阻及污垢热阻计算，实现管壳侧耦合。

7.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，第二控制方程组包括稳态三维连续性方程、三维动量守恒方程和三维能量守恒方程。

8.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件具体如下：

设定壳侧进口流体质量流量或进口速度，设定壳侧进口流体进口温度，设定壳侧进口流体进口压力；

设定管侧进口流体质量流量或进口速度，设定管侧进口流体进口温度，设定管侧进口流体进口压力。

9.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场具体如下：

通过壳侧进口流体的速度、压力、温度和密度初始化一次侧流场；通过管侧进口流体的速度、压力、温度和密度初始化螺旋管内表面边界条件。

10.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布具体如下：

假设壳侧、管侧初始速度场和压力场；

管侧求解离散第一控制方程组，获得管侧所有计算节点对应离散第一控制方程组系数和常数项；

壳侧采用SIMPLE算法求解离散第二控制方程组，获得壳侧所有计算节点对应离散第二控制方程组系数和常数项；

根据管侧所有计算节点对应离散第一控制方程组系数和常数项，以及壳侧所有计算节点对应离散第二控制方程组系数和常数项，迭代计算壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率；

根据壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率，迭代计算壳侧、管侧的所有计算节点温度；其中，所有计算节点温度通过求解能量方程获得；

若计算节点前后两次温度误差小于设定值，则认为计算收敛，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。

11.根据权利要求10所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，计算壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率具体如下：

依次进行求解质量守恒方程、通过SIMPLE算法求解动量守恒方程、求解压力修正方程、修正压力和速度、更新速度场、求解湍流方程，获得壳侧、管侧的所有计算节点速度、压力、湍动能和湍流耗散率。

12.根据权利要求1-11任一所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，流体热工水力参数分布包括流体温度和压力。

13.根据权利要求1-11任一所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真方法，其特征在于，螺旋管式换热装置几何模型参数包括螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距和换热装置内外筒直径。

14.一种用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真系统，其特征在于，包括：

几何模型建立模块，用于根据螺旋管式换热装置几何模型参数建立简化螺旋管式换热装置三维几何模型；

网格划分模块，用于对简化螺旋管式换热装置三维模型进行网格划分并标记螺旋管；

一维计算模型建立模块，用于基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置管侧螺旋管一维计算模型及其第一控制方程组；

第一方程离散模块，用于离散第一控制方程组；

三维计算模型建立模块，用于基于网格划分后的简化螺旋管式换热装置三维模型，建立螺旋管式换热装置壳侧三维多孔介质计算模型及其第二控制方程组包括：

建立三维圆柱坐标连续性方程具体如下：

建立三维圆柱坐标动量方程具体如下：

建立三维圆柱坐标能量方程具体如下：

式中，ρ为密度；u、v、w分别表示周向、径向与轴向流速；μ为壳侧流体动力粘度；k为导热系数；C _p为定压比热容；T为温度；P为压力；f _v、f _θ、f _r、f _z分别表示多孔介质体积孔隙率和周向、径向与轴向的表面渗透率；θ、r、z分别表示周向、径向与轴向的长度；Ф为方程源项；

第二方程离散模块，用于离散第二控制方程组；

边界设定模块，用于设定螺旋管式换热装置壳侧和管侧的边界条件；

流场初始化模块，用于根据螺旋管式换热装置壳侧和管侧的进口参数，初始化壳侧、管侧流场及温度场；

耦合计算模块，用于对离散第一控制方程组和离散第二控制方程组进行耦合计算求解，获得壳侧、管侧流体热工水力参数分布。

15.根据权利要求14所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真系统，其特征在于，几何模型建立模块具体用于：

根据换热装置内筒直径建立第一圆柱筒体模型；

根据换热装置外筒直径建立与第一圆柱筒体模型同心的第二圆柱筒体模型，其中，第二圆柱筒体模型的直径大于第一圆柱筒体模型直径；

根据螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋直径、螺距、螺旋管内外径、螺旋管横纵向间距建立螺旋管束模型，螺旋管束模型位于第二圆柱筒体模型的内壁与第一圆柱筒体模型的外壁之间；

将第一圆柱筒体模型与第二圆柱筒体模型之间区域全部简化为多孔介质几何模型，获得简化螺旋管式换热装置三维模型。

16.根据权利要求15所述的用于高温气冷堆换热装置热工水力的仿真系统，其特征在于，网格划分模块具体用于：

在简化螺旋管式换热装置三维模型中，将多孔介质几何模型的壳侧、管侧划分为三维多孔介质网格；

在三维多孔介质网格中，将每根螺旋管路径扫掠的六面体网格标记为管侧螺旋管所在区域。