CN117371343A - 一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法及系统 - Google Patents

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CN117371343A CN202210777158.4A CN202210777158A CN117371343A CN 117371343 A CN117371343 A CN 117371343A CN 202210777158 A CN202210777158 A CN 202210777158A CN 117371343 A CN117371343 A CN 117371343A
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张作义
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Abstract

本发明公开一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法及系统，其中方法包括：建立螺旋管式换热装置的壳侧二维轴对称几何模型；对二维轴对称几何模型进行流体域网格划分；设定壳侧边界条件；建立螺旋管式换热装置的管侧一维物理模型并设定管侧边界条件；初始化壳侧、管侧流场及温度场；计算管侧工质物性及对流换热系数；将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布。本发明通过对壳侧、管侧分别进行二维与一维简化，兼顾了计算机实现可行性与建模操作的通用性，在计算机能够承受的计算能力下实现对螺旋管式换热装置的整体仿真计算。

Description

一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法及系统
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温度分布的分析方法及系统。
背景技术
高温气冷堆作为第四代先进核能系统之一，具有固有安全、连续不间断换料、温度高、发电效率高、高温工艺热应用等诸多优点。螺旋管式直流蒸汽发生器或中间换热器是高温气冷堆的关键设备，不仅是一回路压力边界，同时也是壳侧、管侧(螺旋管内)热量交换的枢纽。当高温气冷堆用于发电时，高温氦气在螺旋管式直流蒸汽发生器壳侧流动，将堆芯裂变热以对流传热形式传递给管侧(螺旋管内)的水并将其加热至过热蒸汽，过热蒸汽推动汽轮机发电。当高温气冷堆用于工艺热(比如高温制氢)时，高温氦气在螺旋管式中间换热器壳侧流动，将堆芯裂变热以对流传热形式传递给管侧(螺旋管内)的氦气，管侧(螺旋管内)高温氦气通往工艺热用户设备。
传统的压水堆倒U形管式自然循环饱和蒸汽发生器运行温度远低于材料蠕变温度，并且管侧(螺旋管内)处于饱和温度且传热管两侧(壳侧、管侧)温差很小，蒸汽发生器管束内的温度分布不均匀性非常小。高温气冷堆运行温度高，远超金属材料的蠕变温度，材料许用应力将随温度升高急剧下降。高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器或中间换热器工作温度为750℃或950℃，螺旋传热管设计温度几乎达到现有材料的温度上限，局部温度的小幅上升将会引起材料许用应力的显著下降，螺旋管束内部不同层间的温度分布均匀性直接关乎蒸汽发生器及中间换热器的结构完整、运行寿命以及反应堆安全。因此，为评估各类因素导致的螺旋管束内部不同层间温度分布不均匀性贡献及其对热工水力特性的影响，需要建立适用于高温气冷堆螺旋管式蒸汽发生器或者中间换热器的二维热工设计分析方法。
目前国内外研究机构及公司多采用基于集总参数法的专用数值计算程序研究压水堆倒U形管式自然循环饱和蒸汽发生器的热工水力特性。高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器或中间换热器与之差别巨大，热工水力学特性具有本质区别，现有的设计方法不能直接利用。目前常用的一维分析方法只能确定壳侧、管侧及管壁温度沿管长的分布，无法给出径向不同层螺旋管束的温度分布，因此无法对管束内部不同层间温度分布均匀性进行分析。此外螺旋管蒸汽发生器或中间换热器体积庞大，螺旋传热管数量众多、结构复杂，建立全尺寸模型和网格划分存在极大困难，目前的计算分析方法不能对其进行直接计算。
鉴于直接建模计算量巨大，壳侧、管侧耦合计算困难等问题，目前没有适用于高温气冷堆换热装置的螺旋管蒸汽发生器或中间换热器管束不同层间温度分布的计算分析方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法及系统，适用于螺旋管式换热器、任意流动工质的温度分布特性数值模拟，可以获得螺旋管式换热器不同层传热管间的温度分布。
一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，包括以下步骤：建立螺旋管式换热装置的壳侧二维轴对称几何模型；对二维轴对称几何模型进行流体域网格划分；结合流体域网格划分后的二维轴对称几何模型，设定壳侧边界条件；建立螺旋管式换热装置的管侧一维物理模型并设定管侧边界条件；根据螺旋管式换热装置壳侧、管侧的边界条件，初始化壳侧、管侧流场及温度场；根据管侧一维物理模型，结合管侧基础物性参数、管侧流场和温度计算管侧工质物性及对流换热系数；将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布。
进一步的，建立螺旋管式换热装置的壳侧二维轴对称几何模型具体如下：
将各层螺旋管的管圈截面模拟为圆，并根据螺旋管层数和各层螺旋管根数对圆进行ID编号赋值，其中，同一层不同编号的圆以螺距为单位沿轴向依次排列，同一编号的圆以该层螺旋管根数为单位间隔排列；
将同一编号的圆呈轴对称分布在中心轴的两侧，再将同一编号的圆按一定空间旋转方向在中心轴的两侧交替出现，同一编号圆的圆心沿折线曲折上升，获得壳侧二维轴对称几何模型。
进一步的，螺旋管式换热装置包括蒸汽发生器和中间换热器。
进一步的，壳侧边界条件包括壳侧氦气进口参数，壳侧氦气进口参数包括进口质量流量或进口速度，进口温度和进口压力。
进一步的，建立螺旋管式换热装置的管侧一维物理模型包括以下步骤：
结合二维轴对称几何模型，将当前圈螺旋管焓增叠加至下一圈螺旋管，获得下一圈螺旋管管圈焓值；
根据下一圈螺旋管管圈焓值，计算获得下一圈螺旋管流体温度与对流换热系数；
其中，若蒸汽发生器管侧工质为水，以其管侧流体焓值为依据，将蒸汽发生器的管侧一维物理模型划分为过冷单相水区、两相沸腾区与过热单相蒸汽区。
进一步的，管侧边界条件包括管侧介质进口参数，管侧介质进口参数包括质量流量或进口速度，进口温度，进口压力和管圈壁面条件。
进一步的，根据螺旋管式换热装置壳侧、管侧的边界条件，初始化壳侧、管侧流场及温度场具体如下：
以壳侧边界条件中的氦气进口参数初始化壳侧流场及温度场；
以管侧边界条件中的介质进口参数初始化螺旋管内表面边界条件，初始化的螺旋管内表面边界条件包括管圈ID编号赋值、各管圈初始设定温度和初始焓值。
进一步的，根据管侧一维物理模型，结合管侧基础物性参数、管侧流场和温度计算管侧工质物性及对流换热系数具体如下：
通过螺旋管内湍流对流换热的Zhao公式计算蒸汽发生器过冷单相水区、蒸汽发生器过热单相蒸汽区与中间换热器的对流换热系数，具体如下：
h1＝Nu*d/λ
式中，h1表示湍流对流换热系数，Nu为通过螺旋管内湍流对流换热的Zhao公式计算获得的努塞尔数，d为螺旋管内径，λ为流体导热系数；
其中，螺旋管内湍流对流换热的Zhao公式，具体如下：
式中，Pr为螺旋管内流体普朗特数，Re为雷诺数，δ＝d/(2Ri)为螺旋管的螺旋曲率，Ri为相应层螺旋半径；
通过Chen直管对流沸腾换热公式计算蒸汽发生器两相沸腾区管侧流体的对流换热系数。
进一步的，将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布具体如下：
加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤：将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，求解二维轴对称几何模型中的动量方程、压力修正方程、能量方程和湍流方程，获得壳侧温度参数分布、管侧流体温度及对流换热系数；
迭代计算，判断是否收敛的步骤：判断前后两次迭代计算的壳侧流场温度参数分布的第一误差是否小于第一设定值，并判断前后两次迭代计算的管侧流体温度及对流换热系数的第二误差是否小于第二设定值，若第一误差小于第一设定值，且第二误差小于第二设定值，则认为计算收敛，否则，重新加载实时更新的管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，返回加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤；
计算流体温度、压力热工水力参数分布的步骤：如果计算收敛，则根据壳侧流场温度参数分布、管侧流体温度及对流换热系数，获得壳侧、管侧流体温度、压力热工水力参数分布。
进一步的，二维轴对称几何模型的参数包括螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋半径、螺距、螺旋管内径、螺旋管外直径、螺旋管横向间距、螺旋管纵向间距、内筒半径和外筒半径。
本发明还提供一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析系统，包括：
第一模型建立模块，用于建立螺旋管式换热装置的壳侧二维轴对称几何模型；
网格划分模块，用于对二维轴对称几何模型进行流体域网格划分；
边界设定模块，用于结合流体域网格划分后的二维轴对称几何模型，设定壳侧边界条件，
第二模型建立模块，用于建立螺旋管式换热装置的管侧一维物理模型并设定管侧边界条件；
流场初始化模块，用于根据螺旋管式换热装置壳侧、管侧的边界条件，初始化管侧、管侧流场及温度场；
数据处理模块，用于根据管侧物理模型，结合管侧基础物性参数和管侧流场和温度计算管侧工质物性及对流换热系数；
耦合计算模块，用于将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布。
进一步的，第一模型建立模块具体用于：
将各层螺旋管的管圈截面模拟为圆，并根据螺旋管层数和各层螺旋管根数对圆进行ID编号赋值，其中，同一层不同编号的圆以螺距为单位沿轴向依次排列，同一编号的圆以该层螺旋管根数为单位间隔排列；
将同一编号的圆呈轴对称分布在中心轴的两侧，再将同一编号的圆按一定空间旋转方向在中心轴的两侧交替出现，同一编号圆的圆心沿折线曲折上升，获得二维轴对称几何模型。
进一步的，耦合计算模块用于将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布，具体如下：
加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤：将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，求解二维轴对称几何模型中的动量方程、压力修正方程、能量方程和湍流方程，获得壳侧温度参数分布、管侧流体温度及对流换热系数；
迭代计算，判断是否收敛的步骤：判断前后两次迭代计算的壳侧流场温度参数分布的第一误差是否小于第一设定值，并判断前后两次迭代计算的管侧流体温度及对流换热系数的第二误差是否小于第二设定值，若第一误差小于第一设定值，且第二误差小于第二设定值，则认为计算收敛，否则，重新加载实时更新的管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，返回加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤；
计算流体温度、压力热工水力参数分布的步骤：如果计算收敛，则根据壳侧流场温度参数分布、管侧流体温度及对流换热系数，获得壳侧、管侧流体温度、压力热工水力参数分布。
本发明的有益效果：
1、本发明克服了目前CFD软件无法进行大型螺旋管式蒸汽发生器或中间换热器直接数值模拟困难的问题，通过对壳侧、管侧分别进行二维与一维简化，兼顾了计算机实现可行性与建模操作的通用性，在计算机能够承受的计算能力下实现对螺旋管式换热装置的整体仿真计算。
2、本发明提出的壳侧、管侧异维度、热平衡耦合式温度分布计算分析方法可实现壳侧、管侧耦合模拟，可正确模拟径向不同层管束间温度分布，并适用于各类因素引起的温度分布均匀性分析，包括螺旋直径等几何偏差，流量、温度、热辐射等热工水力偏差以及堵管工况后的温度分布。
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、权利要求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温度分布的分析方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明实施例的二维螺旋管束结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的基于CFD软件的计算方法流程及自定义计算程序的示意图；
图4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温度分布的分析系统的结构示意图。
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。
本发明实施例提供一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法及系统，实现了针对高温气冷堆换热装置中的螺旋管蒸汽发生器及换热器的二维流动传热特性及温度分布均匀性的计算分析。并且本发明实施例的温度分布的分析方法及系统，还具备较强的通用性，可适用于各类因素引起的温度分布均匀性计算分析，可推广至能源、化工领域等类似换热器、蒸汽发生器的设计场景，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，本发明实施例的一次侧为换热装置的壳侧，二次侧为换热装置的螺旋管内，即管侧。
请参阅图1，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温度分布的分析方法的流程示意图，一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，包括以下步骤：
S1、建立螺旋管式换热装置的一次侧二维轴对称几何模型。
需要说明的是，本发明实施例的螺旋管式换热装置包括蒸汽发生器和中间换热器。
具体的，二维轴对称几何模型的参数包括螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋半径Ri、螺距、螺旋管内径d、螺旋管外直径D、螺旋管横向间距S1、螺旋管纵向间距S2、内筒半径Rin和外筒半径Rout。
请参阅图2，图2示出了根据本发明实施例的二维螺旋管束结构示意图。
具体的，建立螺旋管式换热装置的一次侧二维轴对称几何模型包括：
S11、将各层螺旋管的管圈截面模拟为圆，并根据螺旋管层数和各层螺旋管根数对圆进行ID编号赋值，其中，同一层不同编号的圆以螺距为单位沿轴向依次排列，同一编号的圆以该层螺旋管根数为单位间隔排列。
本步骤中，管圈截面为圆，保证了壳侧能够准确模拟二维流场。
S12、将同一编号的圆呈轴对称分布在中心轴的两侧，再将同一编号的圆按一定空间旋转方向在中心轴的两侧交替出现，同一编号圆的圆心沿折线曲折上升，获得二维轴对称几何模型。
示例的，以由3层传热管组成的螺旋管束为例对二维轴对称模型的几何连接关系进行说明，二维轴对称模型中各层螺旋管由其截面圆表示，将螺旋管层数沿径向由内至外编号为1－3层，即螺旋半径Ri中i＝1，2，3，对应螺旋管个数分别为4、5、6根，获得每个圆的编号。一次侧氦气自上而下横掠螺旋管束，二次侧水(或氦气)自下而上流过螺旋传热管内部，一、二次侧逆流(或顺流)传热，二维轴对称模型中，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；二维几何模型左右两侧呈轴对称分布，各根螺旋管按一定空间旋转方向在左右两侧交替出现，呈折线曲折上升。
S2、确定螺旋管式换热装置一次侧、二次侧基础物性参数。
本步骤中，确定一次侧氦气、二次侧水(或氦气)以及螺旋管壁材料物性参数或物性计算公式，包括密度、动力粘度、定压比热容、导热系数等。
S3、对二维轴对称几何模型进行流体域网格划分。
本步骤中，利用CFD前处理软件划分螺旋管式蒸汽发生器或中间换热器二维轴对称模型流体域网格，本发明实施例对网格划分方式不做限制，示例的，可以采用四边形结构网格，也可以采用三角形非结构网格，仅需保证管壁附近网格密度，满足CFD数值计算要求即可。
S4、结合流体域网格划分后的二维轴对称几何模型，设定一次侧边界条件。
本步骤中，一次侧边界条件包括一次侧氦气进口参数，氦气进口参数包括一次侧氦气进口质量流量(或者进口速度)、进口温度和进口压力。
S5、建立螺旋管式换热装置的二次侧一维物理模型并设定二次侧边界条件。
具体的，建立螺旋管式换热装置的二次侧一维物理模型包括以下步骤：
S51、结合二维轴对称几何模型，将当前圈螺旋管焓增叠加至下一圈螺旋管，获得下一圈螺旋管管圈焓值。
需要说明的是，二维轴对称几何模型中管圈截面为圆，管内可认为圆内参数均匀一致，采用一维程序模拟体现下一圈与当前圈的差别。
S52、根据下一圈螺旋管管圈焓值，计算获得下一圈螺旋管流体温度与对流换热系数。
二次侧边界条件包括二次侧介质进口参数，二次侧介质进口参数包括二次侧水(或者氦气)质量流量(或者进口速度)、进口温度、进口压力和管圈壁面条件。
进一步的，若蒸汽发生器二次侧工质为水，以其二次侧流体焓值为依据，将蒸汽发生器的二次侧一维物理模型划分为过冷单相水区、两相沸腾区与过热单相蒸汽区。
示例的，以二次侧流体焓值为依据划分不同换热区域，若焓值小于饱和水焓值则划分为过冷单相水区，若焓值大于饱和蒸汽焓值则划分为过热单相蒸汽区，焓值介于二者之间则为两相沸腾区。
需要说明的是，中间换热器二次侧工质为氦气，不存在相变。蒸汽发生器二次侧工质为水，在流动换热过程中会发生相变，其对流蒸发过程按传热形式划分为至少三个换热区域：过冷单相水区、两相沸腾区与过热单相蒸汽区。
本步骤中，结合二维轴对称几何模型，对二次侧一维物理模型和边界条件做出如下简化：不考虑管壁轴向导热；二次侧水(或者氦气)一维流动，温度仅沿轴向变化；二次侧水(或者氦气)为不可压缩流体，即热力学和热迁移物性参数仅与当地温度、压力有关；将螺旋传热管内表面设置为对流换热边界条件，对流换热系数采用当前管圈二次侧参数计算。
S6、根据螺旋管式换热装置一次侧、二次侧的边界条件，初始化一次侧、二次侧流场及温度场。
具体的，以一次侧边界条件中的氦气进口参数初始化一次侧流场及温度场，一次侧边界条件中的氦气进口参数包括速度、压力、温度、密度、粘度、导热系数等。
以步骤S5中确定的二次侧边界条件中的水(或者氦气)进口参数初始化螺旋管内表面边界条件，包括管圈ID编号赋值及设定各管圈初始温度、初始焓值。
S7、根据二次侧一维物理模型，结合二次侧基础物性参数、二次侧流场和温度计算二次侧工质物性及对流换热系数。
需要说明的是，螺旋管内单相(过冷水、过热蒸汽或者氦气)对流换热特性与直管差别较大，尤其当螺旋直径较小时更为明显，要选择适用于螺旋管的对流换热计算公式。本发明实施例选用Zhao等提出的螺旋管内湍流努赛尔数公式计算二次侧流体的对流换热系数，设定为管内壁面边界条件。螺旋管内对流沸腾换热系数与直管差别不大，可以选用Chen直管对流沸腾换热公式计算蒸汽发生器两相沸腾区二次侧流体的对流换热系数。
通过Zhao提出的螺旋管内湍流对流换热公式计算蒸汽发生器过冷单相水区(液体)、蒸汽发生器过热单相蒸汽区与中间换热器(气体)的对流换热系数，具体如下：
h1＝Nu*d/λ (1)
式中，h1表示湍流对流换热系数，Nu为通过Zhao公式计算获得的努塞尔数，d为螺旋管内径，λ为流体导热系数。
螺旋管内湍流对流换热的Zhao公式，具体如下：
其中，Pr为流体管内流体普朗特数，Re为雷诺数，δ＝d/(2Ri)为螺旋管的螺旋曲率，Ri为相应层螺旋半径。
通过Chen直管对流沸腾换热公式计算蒸汽发生器两相沸腾区二次侧流体的对流换热系数，具体如下：
Chen直管对流沸腾换热公式：
其中，S因子具体如下：
其中，F因子具体如下：
其中，下标l与g分别表示气相与液相，h2为螺旋管内对流沸腾换热系数，λ为导热系数，Cpl为定压比热容，ρ为密度，σ为表面张力，μl为动力粘度，ilg为气化潜热，ΔTsat为壁温与饱和温度之差，ΔPsat表示对应管壁面温度Tw的饱和压力与二次侧流体压力之间的差值，χtt为无量纲马蒂内利参数。
请参阅图3，图3示出了根据本发明实施例的基于CFD软件的计算方法流程及自定义计算程序的示意图。
S8、将二次侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对一次侧、二次侧流场及温度场进行耦合计算，获得一次侧、二次侧温度参数分布，具体如下：
S81、加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤：将二次侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，求解二维轴对称几何模型中的动量方程、压力修正方程、能量方程和湍流方程，获得一次侧温度参数分布、二次侧流体温度及对流换热系数。
本步骤中，计算一次侧温度参数分布基于CFD软件的FLUENT平台进行，具体来说，通过FLUENT平台，基于二维轴对称几何模型，将实时更新后的二次侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，通过SIMPLE算法求解二维轴对称几何模型中X方向动量方程、Y方向动量方程、压力修正方程，并更新速度场，然后求解能量方程和湍流方程获得一次侧温度参数分布、二次侧流体温度及对流换热系数。
本发明实施例一次侧采用二维轴对称模型代替复杂的三维螺旋管束结构，通过CFD软件直接求解横掠管束对流换热控制方程，可大幅度降低网格数量，并能够准确预测一次侧氦气横掠螺旋管束的混合效应，统筹兼顾了计算资源与模拟准确性，在目前计算机能够承受的计算能力下实现对螺旋管式蒸汽发生器及中间换热器的二维热工水力特性及温度分布均匀性的计算分析。
S82、迭代计算，判断是否收敛的步骤：判断前后两次迭代计算的一次侧流场温度参数分布的第一误差是否小于第一设定值，并判断前后两次迭代计算的二次侧流体温度及对流换热系数的第二误差是否小于第二设定值，若第一误差小于第一设定值，且第二误差小于第二设定值，则认为计算收敛，否则重新加载实时更新的二次侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，返回加载边界条件，求解温度参数分布的步骤，即步骤S81。
具体的，实时更新二次侧流体温度及对流换热系数，具体如下：
S821、获得单圈螺旋管吸热量及焓增。
本实施例中，基于FLUENT平台二次开发的User Defined Function(UDF)程序，单圈螺旋管吸热量由壁面热流密度沿周长积分得到。
S822、将该圈螺旋管焓增叠加至下一圈螺旋管，获得下一圈螺旋管管圈焓值。
S823、根据下一圈螺旋管管圈焓值，计算获得下一圈螺旋管流体温度与对流换热系数，获得更新后的二次侧管内流体温度及对流换热系数。
S83、计算流体温度、压力热工水力参数分布的步骤：如果计算收敛，则根据一次侧流场温度参数分布、二次侧流体温度及对流换热系数，获得一次侧、二次侧流体温度、压力等热工水力参数分布。
S9、进行下一时间步迭代计算，判断计算时间是否到达，若达到，计算结束，若未到计算时间，则返回步骤S8。
本发明实施例中，基于CFD软件的FLUENT平台，采用计算流体动力学方法进行二维热工水力学数值计算，若前后两次迭代计算结果对应误差小于设定的收敛标准，认为计算收敛，否则重复步骤S7－S8，直至迭代计算收敛，最终获得一、二次侧流体温度、压力等热工水力参数分布。
请参阅图4，图4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温度分布的分析系统的结构示意图。
本发明实施例还提供一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析系统，包括：第一模型建立模块，用于建立螺旋管式换热装置的一次侧二维轴对称几何模型；网格划分模块，用于对二维轴对称几何模型进行流体域网格划分；边界设定模块，用于结合流体域网格划分后的二维轴对称几何模型，设定一次侧边界条件；第二模型建立模块，用于建立螺旋管式换热装置的二次侧一维物理模型并设定二次侧边界条件；流场初始化模块，用于根据换热装置一次侧、二次侧的边界条件，初始化一次侧、二次侧流场及温度场；数据处理模块，用于根据二次侧一维物理模型，结合二次侧基础物性参数、二次侧流场和温度计算二次侧工质物性及对流换热系数；耦合计算模块，用于将二次侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对一次侧、二次侧流场及温度场进行耦合计算，获得一次侧、二次侧温度参数分布。
系统各模块的具体实施可以从上述用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法的具体实施方式获得，不再赘述。
本发明提出实施例提供的温度分布的分析方法和系统，可用于高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器或中间换热器温度分布计算，适用于螺旋管式换热器、任意流动工质的温度分布特性数值模拟，可以获得螺旋管式换热器不同层传热管间的温度分布。
本发明实施例克服了目前CFD软件无法进行大型螺旋管式蒸汽发生器或中间换热器直接数值模拟的困难，通过对一、二次侧分别进行二维与一维简化，兼顾了计算机实现可行性与建模操作的通用性，在计算机能够承受的计算能力下实现对螺旋管式换热器的整体仿真计算。
本发明提出的一、二次侧异维度、热平衡耦合式温度分布计算分析方法可实现一、二次侧耦合模拟，可正确模拟径向不同层管束间温度分布，并适用于各类因素引起的温度分布均匀性分析，包括螺旋直径等几何偏差，流量、温度、热辐射等热工水力偏差以及堵管工况后的温度分布。
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 (13)

1.一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立螺旋管式换热装置的壳侧二维轴对称几何模型；
对二维轴对称几何模型进行流体域网格划分；
结合流体域网格划分后的二维轴对称几何模型，设定壳侧边界条件；
建立螺旋管式换热装置的管侧一维物理模型并设定管侧边界条件；
根据螺旋管式换热装置壳侧、管侧的边界条件，初始化壳侧、管侧流场及温度场；
根据管侧一维物理模型，结合管侧基础物性参数、管侧流场和温度计算管侧工质物性及对流换热系数；
将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布。
2.根据权利要求1所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，建立螺旋管式换热装置的壳侧二维轴对称几何模型具体如下：
将各层螺旋管的管圈截面模拟为圆，并根据螺旋管层数和各层螺旋管根数对圆进行ID编号赋值，其中，同一层不同编号的圆以螺距为单位沿轴向依次排列，同一编号的圆以该层螺旋管根数为单位间隔排列；
将同一编号的圆呈轴对称分布在中心轴的两侧，再将同一编号的圆按一定空间旋转方向在中心轴的两侧交替出现，同一编号圆的圆心沿折线曲折上升，获得壳侧二维轴对称几何模型。
3.根据权利要求2所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，螺旋管式换热装置包括蒸汽发生器和中间换热器。
4.根据权利要求3所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，壳侧边界条件包括壳侧氦气进口参数，壳侧氦气进口参数包括进口质量流量或进口速度，进口温度和进口压力。
5.根据权利要求4所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，建立螺旋管式换热装置的管侧一维物理模型包括以下步骤：
结合二维轴对称几何模型，将当前圈螺旋管焓增叠加至下一圈螺旋管，获得下一圈螺旋管管圈焓值；
根据下一圈螺旋管管圈焓值，计算获得下一圈螺旋管流体温度与对流换热系数；
其中，若蒸汽发生器管侧工质为水，以其管侧流体焓值为依据，将蒸汽发生器的管侧一维物理模型划分为过冷单相水区、两相沸腾区与过热单相蒸汽区。
6.根据权利要求5所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，管侧边界条件包括管侧介质进口参数，管侧介质进口参数包括质量流量或进口速度，进口温度，进口压力和管圈壁面条件。
7.根据权利要求6所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，根据螺旋管式换热装置壳侧、管侧的边界条件，初始化壳侧、管侧流场及温度场具体如下：
以壳侧边界条件中的氦气进口参数初始化壳侧流场及温度场；
以管侧边界条件中的介质进口参数初始化螺旋管内表面边界条件，初始化的螺旋管内表面边界条件包括管圈ID编号赋值、各管圈初始设定温度和初始焓值。
8.根据权利要求7所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，根据管侧一维物理模型，结合管侧基础物性参数、管侧流场和温度计算管侧工质物性及对流换热系数具体如下：
通过螺旋管内湍流对流换热的Zhao公式计算蒸汽发生器过冷单相水区、蒸汽发生器过热单相蒸汽区与中间换热器的对流换热系数，具体如下：
h1＝Nu*d/λ
式中，h1表示湍流对流换热系数，Nu为通过螺旋管内湍流对流换热的Zhao公式计算获得的努塞尔数，d为螺旋管内径，λ为流体导热系数；
其中，螺旋管内湍流对流换热的Zhao公式，具体如下：
式中，Pr为螺旋管内流体普朗特数，Re为雷诺数，δ＝d/(2Ri)为螺旋管的螺旋曲率，Ri为相应层螺旋半径；
通过Chen直管对流沸腾换热公式计算蒸汽发生器两相沸腾区管侧流体的对流换热系数。
9.根据权利要求1－8任一所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布具体如下：
加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤：将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，求解二维轴对称几何模型中的动量方程、压力修正方程、能量方程和湍流方程，获得壳侧温度参数分布、管侧流体温度及对流换热系数；
迭代计算，判断是否收敛的步骤：判断前后两次迭代计算的壳侧流场温度参数分布的第一误差是否小于第一设定值，并判断前后两次迭代计算的管侧流体温度及对流换热系数的第二误差是否小于第二设定值，若第一误差小于第一设定值，且第二误差小于第二设定值，则认为计算收敛，否则，重新加载实时更新的管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，返回加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤；
计算流体温度、压力热工水力参数分布的步骤：如果计算收敛，则根据壳侧流场温度参数分布、管侧流体温度及对流换热系数，获得壳侧、管侧流体温度、压力热工水力参数分布。
10.根据权利要求1－8任一所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析方法，其特征在于，二维轴对称几何模型的参数包括螺旋管层数、各层螺旋管根数、螺旋半径、螺距、螺旋管内径、螺旋管外直径、螺旋管横向间距、螺旋管纵向间距、内筒半径和外筒半径。
11.一种用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析系统，其特征在于，包括：
第一模型建立模块，用于建立螺旋管式换热装置的壳侧二维轴对称几何模型；
网格划分模块，用于对二维轴对称几何模型进行流体域网格划分；
边界设定模块，用于结合流体域网格划分后的二维轴对称几何模型，设定壳侧边界条件；
第二模型建立模块，用于建立螺旋管式换热装置的管侧一维物理模型并设定管侧边界条件；
流场初始化模块，用于根据螺旋管式换热装置壳侧、管侧的边界条件，初始化管侧、管侧流场及温度场；
数据处理模块，用于根据管侧物理模型，结合管侧基础物性参数和管侧流场和温度计算管侧工质物性及对流换热系数；
耦合计算模块，用于将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布。
12.根据权利要求11所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析系统，其特征在于，第一模型建立模块具体用于：
将各层螺旋管的管圈截面模拟为圆，并根据螺旋管层数和各层螺旋管根数对圆进行ID编号赋值，其中，同一层不同编号的圆以螺距为单位沿轴向依次排列，同一编号的圆以该层螺旋管根数为单位间隔排列；
将同一编号的圆呈轴对称分布在中心轴的两侧，再将同一编号的圆按一定空间旋转方向在中心轴的两侧交替出现，同一编号圆的圆心沿折线曲折上升，获得二维轴对称几何模型。
13.根据权利要求11或12所述的用于高温气冷堆换热装置温度分布的分析系统，其特征在于，耦合计算模块用于将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，对壳侧、管侧流场及温度场进行耦合计算，获得壳侧、管侧温度参数分布，具体如下：
加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤：将管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，求解二维轴对称几何模型中的动量方程、压力修正方程、能量方程和湍流方程，获得壳侧温度参数分布、管侧流体温度及对流换热系数；
迭代计算，判断是否收敛的步骤：判断前后两次迭代计算的壳侧流场温度参数分布的第一误差是否小于第一设定值，并判断前后两次迭代计算的管侧流体温度及对流换热系数的第二误差是否小于第二设定值，若第一误差小于第一设定值，且第二误差小于第二设定值，则认为计算收敛，否则，重新加载实时更新的管侧流体温度及对流换热系数作为动态边界条件，返回加载边界条件，求解流体温度及对流换热系数的步骤；
计算流体温度、压力热工水力参数分布的步骤：如果计算收敛，则根据壳侧流场温度参数分布、管侧流体温度及对流换热系数，获得壳侧、管侧流体温度、压力热工水力参数分布。
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