建立带斜密封板的蒸汽发生器干燥器组件网格模型的方法与流程

本发明属于方法发明技术领域，具体涉及到一种建立带斜密封板的蒸汽发生器干燥器组件网格模型的方法。

背景技术：

蒸汽发生器是核电站系统重要大型换热设备，能够实现一回路与二回路之间的能量交换。在蒸汽发生器中，饱和蒸汽自传热管束区产生，但由于相间界面处液膜的破碎等原因导致饱和蒸汽会夹带一定量的液滴。这些液滴会随着饱和蒸汽向上流动经过各级汽水分离到达出口并进入二回路。

流体工质自传热管束区产生之后首先进入初级汽水分离器也称旋叶式汽水分离器区。单个旋叶式汽水分离器包括四个固定旋流叶片从而使液滴和蒸汽产生旋转流动，分离机制为利用液滴的离心效应的惯性分离机制。次级汽水分离器是带有一些钩子的波型叶片分离器，在其内部可以去除惯性较大的液滴。随后，蒸汽会离开蒸汽发生器进入二回路被送往汽轮机做功。目前欧美核电通用的标准要求蒸汽湿度小于0.25％，否则高速蒸汽流夹杂着这些液滴进入二回路会造成管道、关闭件的腐蚀，以及汽轮机叶片的气蚀，影响汽轮机寿命。因此，汽水分离器的分离效率就关系到核电站运行经济性和安全性。

国内外研发机构在开发波形板干燥器时，其技术路线通常为：首先采用数值模拟计算或冷态试验选型的方法确定特定型式的波形板片，然后通过冷态或热态试验确定波形板片的工作性能曲线。然而，受试验条件的限制，干燥器试验件的规模往往只能为实际蒸汽发生器干燥器的缩比模型，无法通过试验直接验证所开发干燥器在实际运行时的工作性能。此时，需要利用数值模拟方法对干燥器的三维流场进行分析。

随着计算机技术的发展，cfd程序针对蒸汽发生器干燥器三维流场的模拟能力逐渐提升。但是，在进行数值模拟时依然面临干燥器处几何结构复杂、网格划分困难和网格量大等问题。因此采用合理的方法对蒸汽发生器干燥器前的复杂结构进行简化处理将大大节省计算资源。本方法针对大型压水堆核电站内的蒸汽发生器干燥器前密封板处的三维流场模拟提出可行方法。方法适用于拥有密封板的蒸汽发生器干燥器单元的三维流场模拟。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种建立带斜密封板的蒸汽发生器干燥器组件网格模型的方法，该方法能够在保证斜密封板处网格质量的前提下，运用结构化六面体网格实现对该处的三维网格划分；能够在网格量较少的情况下，实现对立式自然循环蒸汽发生器内干燥器组件的网格模型的刻画。

本发明的解决方案是：

首先，根据干燥器组件设计图纸在solidworks中建立不带密封板的干燥器组件的几何模型，在该模型基础上，在solidworks软件中利用布尔运算功能得到不包含密封板的干燥器组件的流体域模型；然后使用结构化六面体网格刻画不含斜密封板的干燥器组件模型。

之后使用用户自定义函数检查上述六面体网格的每一个单元，若单元中心坐标符合斜密封板在投影面xoy面上的直线方程，则将该单元做标记；对所有斜密封板位置处的单元标记完成后，将这些单元设置为固体，即完成了对带斜密封板的干燥器组件的结构化六面体网格模型的建立。

本发明具体包括以下步骤：

步骤1：建立典型压水堆蒸汽发生器内干燥器组件的三维几何模型并得到其内部流体域：几何建模阶段不需要建立6个斜密封板的几何，具体地，根据真实设计参数，运用solidworks软件将组成干燥器组件实体的每个面建立出来，但不包含组成密封板的各面，并将这些面按照设计图纸中的相对位置关系组合成体，从而得到不带密封板的干燥器组件的三维几何模型；另外，在solidworks软件中重新建立一个与上述干燥器组件几何模型的直径、高度均相同的实心圆柱体；运用solidworks软件的布尔运算功能对实心圆柱体及干燥器组件模型进行布尔运算，得到不带密封板的干燥器组件的流体域模型；

步骤2：利用ansys-icem软件，使用结构化六面体网格刻画步骤1中建立的不带密封板的干燥器组件的流体域模型，具体分为以下步骤：

步骤2-1：在ansys-icem软件中创建一个三维长方体拓扑块包络上述流体域模型；将三维长方体拓扑块变为o形块以便于随后的操作中贴合干燥器组件流体域模型的圆柱形外形；

步骤2-2：依据流体域模型的几何特征，将o形块切分为多个拓扑块以贴合干燥器组件流体域模型几何结构，将以上从o形块中切分出的拓扑块的几何特征与干燥器组件流体域模型的几何特征进行关联，其中具体包括上述被切分出的拓扑块的点、线和面分别与对应的流体域模型中的点、线和面的关联；

步骤2-3：对在步骤2-2中所切分出的拓扑块各边进行节点参数设置，包括节点数目以及分布率，生成结构化六面体网格；

步骤3：在ansys-fluent软件中，使用用户自定义函数工具udf，标记斜密封板的网格单元，将斜密封板网格标记出来并将其设置为固体，形成带斜密封板的干燥器组件的网格模型，具体分为以下步骤：

步骤3-1：根据斜密封板的倾斜角度，得到斜密封板的投影直线方程：

y＝ax+b

斜密封板在与高度方向垂直的面假设为xoy面上的投影为一条倾斜直线，通过该投影可以得到斜密封板的直线方程，其中a为该直线的斜率，b为该直线的截距；

步骤3-2：检查步骤2中获得的结构化六面体网格的每个单元，若单元中心坐标符合步骤3-1中建立的直线方程，则对该单元进行标记，否则跳过该单元，从而标记出所有斜密封板的网格单元；

步骤3-3：在ansys-fluent软件中将已被标记出的斜密封板网格单元设置为固体，即得到带斜密封板的蒸汽发生器干燥器组件的网格模型。

本发明带来以下有益效果：

1)能够在数量较少的六面体结构化网格的基础上完成对次级干燥器进口前密封板的建模工作，且不影响网格质量；

2)容易实现斜密封板几何参数的变化例如倾斜角、遮挡长度等参数而不用重新进行三维建模；

3)对斜密封板区域采用标准六面体网格，可以减小网格标记的不同区域交界面处网格不连续带来的误差；

4)模型独立，方法通用性强，可以适应于不同类型的流体力学计算分析程序。

附图说明

图1为中国先进压水堆中的干燥器组件真实三维几何结构模型。

图2为不包含斜密封板的干燥器组件流体域几何结构示意图。

图3为不包含斜密封板的干燥器组件的网格模型。

图4为带斜密封板的单个干燥器单元在xoy平面上的投影。

图5为被标记出的用于刻画斜密封板的网格单元的示意图。

图6为带斜密封板的干燥器组件的网格模型示意图。

图7为本发明流程图。

具体实施方式

以下结合图7所示流程图，以先进压水堆为例，对本发明作进一步的详细描述。

本发明一种建立带斜密封板的蒸汽发生器干燥器组件网格模型的方法，包括以下步骤：

步骤1：建立典型压水堆蒸汽发生器内干燥器组件的三维几何模型并得到内部流体域：几何建模阶段不需要建立6个斜密封板的几何，具体地，根据真实设计参数，运用solidworks软件将组成干燥器组件实体的每个面建立出来但不包含组成密封板的各面，并将这些面按照设计图纸中的相对位置关系组合成体，从而得到不带密封板的干燥器组件的三维几何模型。另外，重新建立一个与上述干燥器组件几何模型的直径、高度均相同的实心圆柱体。运用solidworks软件的布尔运算功能对实心圆柱体及干燥器组件的三维几何模型进行布尔运算，得到不带密封板的干燥器组件的流体域模型。包含密封板组件的真实三维几何结构以及不带斜密封板的组件流体域模型分别如图1和2所示。

步骤2：利用ansys-icem软件，使用结构化六面体网格刻画步骤1中建立的不带密封板的干燥器组件的流体域模型，具体分为以下步骤：

步骤2-1：在ansys-icem软件中创建一个三维长方体拓扑块包络上述流体域模型；将三维长方体拓扑变为o形块以便于随后的操作中贴合干燥器组件流体域模型的圆柱形外形；

步骤2-2：依据流体域模型的几何特征，将o形块切分为多个拓扑块以贴合干燥器组件流体域模型几何结构，将以上从o形块中切分出的拓扑块的几何特征与干燥器组件流体域模型的几何特征进行关联，其中具体包括上述被切分出的拓扑块的点、线和面分别与对应的流体域模型中的点、线和面的关联；

步骤2-3：对在步骤2-2中所切分出的拓扑块各边进行节点参数设置，包括节点数目以及分布率，生成结构化六面体网格，不包含斜密封板的干燥器组件的网格模型如图3所示。

步骤3：在ansys-fluent软件中，使用用户自定义函数工具udf，标记斜密封板的网格单元，将斜密封板网格标记出来并将其设置为固体，形成带斜密封板的干燥器组件的网格模型，具体分为以下步骤：

步骤3-1：根据斜密封板在与高度方向垂直的投影面，xoy面上的投影，得到斜密封板的投影直线方程：

y＝ax+b

如图4所示为干燥器组件中单个干燥器单元在xoy平面上的投影。其中，斜密封板在xoy平面的投影为一条倾斜直线，通过该投影可以得到斜密封板的直线方程，其中a为该直线的斜率，b为该直线的截距；

步骤3-2：检查步骤2中获得的结构化六面体网格的每个单元，若单元中心坐标符合步骤3-1中建立的直线方程，则对该单元进行标记，否则跳过该单元；从而标记出所有斜密封板的网格单元，被标记出的用于刻画斜密封板的网格单元如图5所示；

步骤3-3：在ansys-fluent软件中将已被标记出的斜密封板网格单元设置为固体，即得到带斜密封板的蒸汽发生器干燥器组件的网格模型，如图6所示。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。