CN117556739B - 一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法 - Google Patents
一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法，1、针对超汽化矩形翅片换热结构的固体和流体计算域几何建模与网格划分；2、在Fluent软件内创建测量点；3、选择矩形窄缝流道的结构及性能参数、选择流体名称并设置流体形态及热物性；4、选择多相流模型、湍流模型、能量方程及计算工况的边界条件；5、计算湍流模型与守恒方程，计算流体的湍流流动状态，获得气液两相的体积份额、温度分布以及压力分布，获得超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度；6、通过测量点的壁面温度骤升现象判断是否达到临界热流密度，若否则继续提升热流密度进行计算，若是则输出结果。基于本发明方法，可预测聚变堆超汽化矩形翅片结构的临界热流密度。
Description
技术领域
本发明涉及聚变堆偏滤器结构的换热性能研究技术领域，具体涉及一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法。
背景技术
随着清洁能源技术（天然气、水电、风电、核电等）的进步，我国能源结构不断优化，清洁能源的在能源消耗中所占的比重逐步上升。核能作为一种安全、清洁、低碳、高能量密度的战略能源，是现代能源体系建设的重要组成部分。目前，核裂变技术已广泛应用于核电站、航空航天等领域。但是，裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅会产生大量辐射，伤害人体，而且产生的废料也很难处理。核聚变则是利用轻核通过克服原子核间排斥力实现碰撞生成新的更重的原子核并释放能量。聚变反应中氢的同位素氘（Deuterium）和氚（Tritium）具有更高的反应截面，更容易发生反应。与核裂变相比，核聚变具有以下优势：（1）核聚变反应的原料氘元素可直接取自于海水，用之不竭；（2）核聚变反应放能效率极高；（3）核聚变辐射小，产物污染小。
近年来，随着可控热核聚变技术的实现与发展，国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）被认为是解决能源问题的重要方法，越来越受到世界各国研究人员的关注。国际热核聚变实验堆计划ITER是目前世界上在建的最大的Tokamak装置，由七个成员组织参与筹建。ITER目标是建设500 MW聚变功率、维持400 s脉冲放电的实验装置，实现10倍的聚变能量增益，探索实现聚变电站所需自持、高约束的氘氚燃烧等离子，测试聚变堆相关工程技术，验证氚增殖的可行性和聚变装置的安全特性。在国际热核聚变实验堆中，由于聚变反应过程中产生的等离子体温度极高，当偏滤器上的热载超过临界热流密度时，冷却能力会大大降低，严重威胁聚变装置的安全性和可靠性。因此，研究过冷流动沸腾临界热流密度对偏滤器冷却结构的优化设计具有重要意义。
偏滤器是国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear ExperimentalReactor，ITER）内的重要部件，需要承受等离子体破裂时带来的持续高热载。当热载超过临界热流密度（Critical Heat Flux，CHF）时，会发生水过冷流动沸腾下的偏离泡核沸腾（Departure from Nucleate Boiling，DNB）现象，导致部件换热系数急剧下降、表面温度快速升高，严重时还会发生烧毁现象，极大地影响到聚变装置的安全运行。为了提升聚变堆第一壁部件的换热能力，众多学者提出了不同的技术方案，但是目前的技术应用不成熟，且在国内外属于一个尚不完善的研究领域。
发明内容
为了提升聚变堆偏滤器的换热性能，设计出一种超汽化矩形翅片换热结构，本发明针对该翅片结构的临界热流密度进行数值模拟，在现有技术上提供了一种聚变堆超汽化矩形翅片换热结构临界热流密度的计算方法，该方法能够对翅片结构换热过程中出现的气液两相体积份额、湍流流动状态、温度分布以及压力分布进行研究，具有计算速度快、计算设置简单的优势，避免了大量繁琐的前处理和后处理，获得相间传热量，获得流体域的气液体积份额、湍流流动状态、流体速度分布、压力分布以及温度分布，通过以上参数能对流体流动过程中发生的流体温度变化过程及气泡发生过程进行分析及预测，最终获得聚变堆超汽化矩形翅片结构的临界热流密度，得到目标结构的换热能力。
为了实现上述目的，本发明采取了以下的技术方案予以实施：
一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：设计超汽化矩形翅片换热结构以应用于聚变堆偏滤器靶板，多个翅片间隔均匀分布在矩形基板上形成超汽化矩形翅片换热结构；为数值模拟研究超汽化矩形翅片换热结构的临界热流密度，对其进行几何建模并在轴向两端分别增加作为进口流道和出口流道的流体发展段，超汽化矩形翅片换热结构与位于其横向两侧的第一绝缘板和第二绝缘板以及位于其上侧的第三绝缘板形成用于流体流经的矩形窄缝流道；超汽化矩形翅片换热结构、进口流道、出口流道及三块绝缘板共同形成超汽化矩形翅片换热结构的固体计算域并对固体计算域进行几何建模；对超汽化矩形翅片换热结构中流体的计算域进行几何建模，并对固体计算域和流体计算域的几何模型进行网格划分，将建立好的网格模型导入Fluent软件；
步骤2：在Fluent软件内依据具体坐标创建测量点，测量点在超汽化矩形翅片换热结构上轴向均匀分布，且增加翅片出口位置处的测量点密度；
步骤3：在Fluent软件内选择矩形窄缝流道不同部分对应的固体材料名称并设置不同材料的物理性质，选择流体名称并设置流体的形态及热物性；
步骤4：在Fluent软件内选择流体的多相流模型、湍流模型、能量方程并设定计算工况对应的边界条件；
步骤5： 使用Fluent软件内的RNG k-epsilon湍流模型计算流体域的湍动能和耗散率以模拟流体在超汽化矩形翅片换热结构内的湍流流动状态；RNG k-epsilon湍流模型通过增加旋流对湍流作用方程，提高旋流计算精度；
使用Fluent软件内多相流模型计算质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程得到流体域气液两相的比焓及压力分布，通过比焓及压力能够获得流体计算域各部分的温度；
通过质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程计算得到超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度，同时，也能得到关注参数即气液两相的压力分布、各相的体积份额、流体速度以及流体计算域的热流密度；
步骤6：通过步骤5能够得到超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度，观察测量点壁面温度随热流密度的变化曲线，若任一测量点发生壁面温度骤升则记录其对应的热流密度，该数值即为当前工况条件下的临界热流密度；同时，导出并记录流体域的湍流流动状态，计算域的相间传热量，气液两相的体积份额、流体速度分布、压力分布以及温度分布；若未发生壁面温度骤升则仅提升热流密度并重复步骤5，直到壁面温度骤升现象发生；通过导出的计算参数能对流体流动过程中发生的流体温度变化过程及气泡发生过程进行分析及预测，得到设计的超汽化矩形翅片换热结构的换热能力。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明的方法能对流体在超汽化矩形翅片换热结构中的流动过程进行精确求解，同时综合考虑了流体在超汽化矩形翅片换热结构进出口的流动状态；针对设计的超汽化矩形翅片换热结构，本发明在整体基板上进行切割以获得超汽化矩形翅片换热结构，该操作使得热量的传导更为均匀有效，有效避免了使用两部分材料贴合导热会造成的接触不当以致传热恶化的情况。并且利用Fluent软件具有计算速度快、计算设置简单的优势，避免了大量繁琐的前处理和后处理，可以进行大规模计算，从而更加高效、准确地预测超汽化矩形翅片换热结构的临界热流密度，更好地了解其换热能力。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2（a）和图2（b）分别为超汽化矩形翅片换热结构的固体计算域示意图和剖视图。
图3为临界热流密度发生时典型的测量点温度随热流密度的变化曲线图。
图4为使用本发明计算方法计算得到的临界热流密度与实验测得的临界热流密度的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法，包括如下步骤：
步骤1：基于提升聚变堆偏滤器换热能力的目的，设计超汽化矩形翅片换热结构以应用于聚变堆偏滤器靶板，多个翅片间隔均匀分布在矩形基板上形成超汽化矩形翅片换热结构；为数值模拟研究超汽化矩形翅片换热结构的临界热流密度，对其进行几何建模并在轴向两端分别增加作为进口流道和出口流道的流体发展段，超汽化矩形翅片换热结构与位于其横向两侧的第一绝缘板和第二绝缘板以及位于其上侧的第三绝缘板形成用于流体流经的矩形窄缝流道；超汽化矩形翅片换热结构、进口流道、出口流道及三块绝缘板共同形成超汽化矩形翅片换热结构的固体计算域并对固体计算域进行几何建模；对超汽化矩形翅片换热结构中流体的计算域进行几何建模，并对固体计算域和流体计算域的几何模型进行网格划分，将建立好的网格模型导入Fluent软件；
步骤2：在Fluent软件内依据具体坐标创建测量点，测量点在超汽化矩形翅片换热结构上轴向均匀分布，且增加翅片出口位置处的测量点密度；
步骤3：在Fluent软件内选择矩形窄缝流道不同部分对应的固体材料名称并设置不同材料的物理性质，选择流体名称并设置流体的形态及热物性；
步骤4：在Fluent软件内选择流体的多相流模型、湍流模型、能量方程并设定计算工况对应的边界条件，边界条件包括流体的进口流速、进口温度、出口压力、出口压力条件下流体的饱和温度以及超汽化矩形翅片换热结构基板底部的初始热流密度；
步骤5：使用Fluent软件内的RNG k-epsilon湍流模型计算流体域的湍动能和耗散率以模拟流体在超汽化矩形翅片换热结构内的湍流流动状态；RNG k-epsilon湍流模型通过增加旋流对湍流作用方程，提高旋流计算精度；
RNG k-epsilon湍流模型如下：
（1）
（2）
式中：表示时间；表示流体密度；表示湍动能；表示流体流动方向的坐标长
度；表示流体流动方向的流速；表示垂直流体流动方向的坐标长度；表示湍流粘性
系数；表示耗散率；表示由于平均速度梯度而产生的湍流动能；表示浮力产生的湍流
动能；表示可压缩湍中的波动膨胀对整体耗散率的贡献；表示附加项；和分别表示
k和的有效Prandtl数的倒数，在高雷诺数限制中，；和分别表示k和对
应的源项；表示默认值常数，=1.42，=1.68；表示公式系数，，v表
示平行于重力方向的速度分量，u表示垂直于重力方向的速度分量。
RNG k-epsilon湍流模型中方程即式（2）中的附加项表示如下：
（3）
式中，表示黏度系数；；；。
将式（3）带入式（2），并将式（2）等号右侧的第三项和第四项合并，所得方程如式
（4），式（4）的表述能够更清楚地看到附加项在RNG k-epsilon湍流模型方程中的影响：
（4）
式中，。
通过选择的RNG k-epsilon湍流模型能够模拟完全湍流的流动过程，在方程即式
（2）中改善了模拟高应变流动的能力，能用于预测中等强度的旋流，模拟得到流体的湍流流
动状态。
使用Fluent软件内多相流模型计算质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程得到流体域气液两相的比焓及压力分布，通过比焓及压力能够获得流体计算域各部分的温度，针对气液两相的守恒方程如下：
质量守恒方程：
（5）
式中：q表示守恒方程针对的相态，即气相或液相；表示q相的体积份额；表示q
相的密度；表示q相的速度；p表示流体计算域存在的与q相不同的相态； n表示p相的种
类；表示p相到q相的传递质量；表示q相到p相的传递质量；为表示q相的质量源
项。
动量守恒方程：
（6）
式中：表示哈密顿算子；表示压力；表示q相的应力-应变张量；表示重力加
速度；表示p相、q相的相间曳力；表示p相相对q相的速度；表示q相相对p相的速度；表示q相的外体积力；表示q相的升力；表示q相的壁面润滑力；表示q相的湍
流耗散力。
能量守恒方程：
（7）
式中：表示q相的比焓；表示单位质量q相含有的内能；表示q相的热流密度；表示q相的能量源项；表示p相与q相之间的传热量；表示p相到q相传递的焓值；
表示q相到p相传递的焓值。
通过下式获得流体计算域各部分的温度并以此为基础，计算得到超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度：
（8）
式中：表示比焓；T表示流体计算域各部分的温度。
（9）
式中：表示热流密度；表示选择的超汽化矩形翅片换热结构的导热系数；表
示超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度；表示流体计算域贴近翅片结构部分的温度；表
示导热长度。
通过上述守恒方程计算得到超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度，同时，也能得到重点关注参数即气液两相的压力分布、各相的体积份额、流体速度以及流体计算域的热流密度。
步骤6：通过步骤5能够得到超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度，观察测量点壁面温度随热流密度的变化曲线，若任一测量点发生壁面温度骤升则记录其对应的热流密度，该数值即为当前工况条件下的临界热流密度。同时，导出并记录流体域的湍流流动状态，计算域的相间传热量，气液两相的体积份额、流体速度分布、压力分布以及温度分布；若未发生壁面温度骤升则仅提升热流密度并重复步骤5，直到壁面温度骤升现象发生。通过导出的计算参数能对流体流动过程中发生的流体温度变化过程及气泡发生过程进行分析及预测，得到设计的超汽化矩形翅片换热结构的换热能力，以提高聚变堆偏滤器的换热性能，保障偏滤器的安全完整。
综上，通过步骤1完成超汽化矩形翅片换热结构固体计算域和流体计算域的几何建模及网格划分，并将其导入Fluent软件，通过步骤2~步骤4完成Fluent软件内计算条件及计算参数的选择和设定，通过步骤5完成湍流模型以及守恒方程的计算，得到流体域的气液体积份额、湍流流动状态、温度分布、压力分布及相间传热量。通过上述步骤1~步骤5，对流体流动过程中发生的流体温度变化过程及气泡发生过程进行了数值计算分析，得到了流体域的湍流流动状态、压力分布以及温度分布，获得了设计的超汽化矩形翅片换热结构的换热能力，以提高聚变堆偏滤器的换热性能，保障偏滤器的安全完整。
下面结合具体的计算对象说明本发明的效果，图2（a）和图2（b）分别为超汽化矩形翅片换热结构的固体计算域示意图和剖视图。首先获取超汽化矩形翅片换热结构的特征信息，如设备的尺寸及材料、冷却剂的温度及种类，超汽化矩形翅片换热结构的特点为：25个长宽高分别为20mm，3mm以及6mm的翅片以3mm的间距均匀分布在1.8mm的铬锆铜基板上，冷却剂为流体水，进口流道和出口流道的流体发展段长度分别为50mm和100mm，流体流经的矩形窄缝流道高度为3mm。基于上述信息完成几何建模、网格划分及初始参数设定。Fluent软件内，多相流模型设置为Eulerian模型，具体选择RPI 沸腾模型，湍流模型设置为RNG K-epsilon模型，并打开能量方程选项，根据实际应用情况设置好重力加速度。设置好初始参数后开始计算，流体从矩形窄缝流道进口以设定好的流速进入矩形窄缝流道，根据上述步骤5获得流体的湍流流动状态及相间传热量、流体温度、气液两相的体积份额以及超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度，根据上述步骤6获得如图3所示临界热流密度发生时典型的测量点温度随热流密度的变化曲线图，获得临界热流密度，得到设计的超汽化矩形翅片换热结构的换热能力，以提高聚变堆偏滤器的换热性能，保障偏滤器的安全完整。
通过上述计算步骤获得具体计算对象的不同计算工况对应的临界热流密度，并将本发明数值模拟计算结果与试验测量结果进行对比，对比结果如图4所示，从图中可以看出：通过本发明的计算方法得到的临界热流密度与试验得到的临界热流密度符合较好，精确度较高，计算误差均在±25%以内，计算结果可以为实测临界热流密度提供有效参考，具有很强的实际应用价值。
Claims (4)
1.一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：设计超汽化矩形翅片换热结构以应用于聚变堆偏滤器靶板，多个翅片间隔均匀分布在矩形基板上形成超汽化矩形翅片换热结构；为数值模拟研究超汽化矩形翅片换热结构的临界热流密度，对其进行几何建模并在轴向两端分别增加作为进口流道和出口流道的流体发展段，超汽化矩形翅片换热结构与位于其横向两侧的第一绝缘板和第二绝缘板以及位于其上侧的第三绝缘板形成用于流体流经的矩形窄缝流道；超汽化矩形翅片换热结构、进口流道、出口流道及三块绝缘板共同形成超汽化矩形翅片换热结构的固体计算域并对固体计算域进行几何建模；对超汽化矩形翅片换热结构中流体的计算域进行几何建模，并对固体计算域和流体计算域的几何模型进行网格划分，将建立好的网格模型导入Fluent软件；
步骤2：在Fluent软件内依据具体坐标创建测量点，测量点在超汽化矩形翅片换热结构上轴向均匀分布，且增加翅片出口位置处的测量点密度；
步骤3：在Fluent软件内选择矩形窄缝流道不同部分对应的固体材料名称并设置不同材料的物理性质，选择流体名称并设置流体的形态及热物性；
步骤4：在Fluent软件内选择流体的多相流模型、湍流模型、能量方程并设定计算工况对应的边界条件；
步骤5：使用Fluent软件内的RNG k-epsilon湍流模型计算流体域的湍动能和耗散率以模拟流体在超汽化矩形翅片换热结构内的湍流流动状态；RNG k-epsilon湍流模型通过增加旋流对湍流作用方程，提高旋流计算精度；
使用Fluent软件内多相流模型计算质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程得到流体域气液两相的比焓及压力分布，通过比焓及压力能够获得流体计算域各部分的温度；
通过质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程计算得到超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度，同时，也能得到关注参数即气液两相的压力分布、各相的体积份额、流体速度以及流体计算域的热流密度；
步骤6：通过步骤5能够得到超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度，观察测量点壁面温度随热流密度的变化曲线，若任一测量点发生壁面温度骤升则记录其对应的热流密度，该数值即为当前工况条件下的临界热流密度；同时，导出并记录流体域的湍流流动状态，计算域的相间传热量，气液两相的体积份额、流体速度分布、压力分布以及温度分布；若未发生壁面温度骤升则仅提升热流密度并重复步骤5，直到壁面温度骤升现象发生；通过导出的计算参数能对流体流动过程中发生的流体温度变化过程及气泡发生过程进行分析及预测，得到设计的超汽化矩形翅片换热结构的换热能力。
2.根据权利要求1所述的一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法，其特征在于：步骤4中的边界条件包括流体的进口流速、进口温度、出口压力、出口压力条件下流体的饱和温度以及超汽化矩形翅片换热结构基板底部的初始热流密度。
3.根据权利要求1所述的一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法，其特征在于：步骤5中，RNG k-epsilon湍流模型如下：
式中：t表示时间；ρ表示流体密度；k表示湍动能；Xi表示流体流动方向的坐标长度；ui表示流体流动方向的流速；Xj表示垂直流体流动方向的坐标长度；μeff表示湍流粘性系数；ε表示耗散率；Gk表示由于平均速度梯度而产生的湍流动能；Gb表示浮力产生的湍流动能；YM表示可压缩湍中的波动膨胀对整体耗散率的贡献；Rε表示附加项；αk和αε分别表示k和ε的有效Prandtl数的倒数，在高雷诺数限制中，αk＝αε≈1.393；Sk和Sε分别表示k和ε对应的源项；C1ε和C2ε表示默认值常数，C1ε＝1.42，C2ε＝1.68；C3ε表示公式系数，v表示平行于重力方向的速度分量，u表示垂直于重力方向的速度分量；
RNG k-epsilon湍流模型中ε方程即式(2)中的附加项Rε表示如下：
式中，η表示黏度系数；η0＝4.38；β＝0.012；Cμ＝0.0845；
将式(3)带入式(2)，并将式(2)等号右侧的第三项和第四项合并，所得方程如式(4)，式(4)的表述能够更清楚地看到附加项Rε在RNG k-epsilon湍流模型方程中的影响：
式中，
4.根据权利要求1所述的一种聚变堆超汽化矩形翅片结构临界热流密度的计算方法，其特征在于：步骤5中，针对气液两相的守恒方程如下：
质量守恒方程：
式中：t表示时间，q表示守恒方程针对的相态，即气相或液相；αq表示q相的体积份额；ρq表示q相的密度；表示q相的速度；p表示流体计算域存在的与q相不同的相态；n表示p相的种类；/>表示p相到q相的传递质量；/>表示q相到p相的传递质量；S为表示q相的质量源项；
动量守恒方程：
式中：表示哈密顿算子；P表示压力；/>表示q相的应力-应变张量；/>表示重力加速度；表示p相、q相的相间曳力；/>表示p相相对q相的速度；/>表示q相相对p相的速度；/>表示q相的外体积力；/>表示q相的升力；/>表示q相的壁面润滑力；/>表示q相的湍流耗散力；
能量守恒方程：
式中：hq表示q相的比焓；表示单位质量q相含有的内能；/>表示q相的热流密度；Sq表示q相的能量源项；Qpq表示p相与q相之间的传热量；hpq表示p相到q相传递的焓值；hqp表示q相到p相传递的焓值；
通过下式获得流体计算域各部分的温度并以此为基础，计算得到超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度：
式中：h表示比焓；T表示流体计算域各部分的温度；
式中：q1表示热流密度；λ表示选择的超汽化矩形翅片换热结构的导热系数；Tw表示超汽化矩形翅片换热结构的壁面温度；T0表示流体计算域贴近翅片结构部分的温度；L表示导热长度。
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