一种非能动余热排出C形换热器一次侧简化建模与计算方法

本发明属于核动力系统建模与仿真方法，具体涉及到一种非能动余热排出c形换热器一次侧简化建模与计算方法。

背景技术：

1、非能动余热排出系统是第三代先进核反应堆非能动设计理念下的一种典型堆芯冷却系统。在瞬态或事故工况停堆后，堆芯冷却剂由自然力驱动进入非能动余热排出c形热交换器，在自然循环作用下将热量传递至外部热阱，确保堆芯安全性和完整性。c形换热器一次侧流动阻力和流量分配特性极大程度影响着换热器自然循环和余热排出能力，因此需通过数值模拟方法，对c形换热器进行优化设计，达到优化流量分配、降低流阻、强化自然循环换热能力、提升非能动余热排出系统整体安全裕量的目的。

2、目前针对核动力系统非能动余热排出c形换热器一次侧的数值建模计算，多采用全三维精细化建模、一维节点建模或全多孔介质建模的方法。其中，全三维精细化建模方法对腔室、管板以及每根传热管均进行三维精细化建模和网格划分，能最大程度保真地求解一次侧三维物理场，但网格量往往在亿的量级，目前的计算机能力难以满足工程计算需求；一维节点建模方法将传热管束简化为单根或几根传热管并沿轴向划分若干一维节点开展计算，由于省略了腔室、管板建模且忽略了传热管间的流量及换热差异，因此较为粗糙，仅适用于初步定性计算；全多孔介质建模方法将管板及传热管束完全均匀化，整体采用多孔介质处理，虽能显著降低计算量，但难以准确模拟传热管内的流量分配特性，且分辨率无法精确到每根传热管，仅能获得某位置的平均阻力及传热特性。

3、综上所述，已有的非能动余热排出c形换热器一次侧建模与计算方法难以在简化计算建模的同时得到达到足够精度，无法满足工程数值计算和设计优化需求。开发一种非能动余热排出c形换热器一次侧简化建模与计算方法并基于该方法开展流动减阻、流量分配、换热强化等非能动余排换热器优化设计研究，对强化c形换热器自然循环能力，提升非能动余热排出系统安全裕量，保障核动力系统安全稳定运行至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种非能动余热排出c形换热器一次侧简化建模与计算方法，该方法能够在大幅降低c形换热器建模难度和计算量的同时，准确求解传热管级分辨率的流量分配及阻力、换热分布特性，支撑非能动余热排出c形换热器流动减阻、流量分配等相关优化设计研究。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种非能动余热排出c形换热器一次侧简化建模与计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、步骤1：对c形换热器的进、出口腔室及管板部分进行三维几何建模和精细化网格划分：

5、步骤1-1：在cad软件solidworks中依照真实尺寸对c形换热器的进、出口腔室及管板部分建立三维几何模型；

6、步骤1-2：在ansys meshing软件中，使用扫略功能对c形换热器进、出口腔室及管板三维几何模型划分精细化网格，为c形换热器进、出口腔室及管板的壁面划分精细化边界层网格；

7、步骤2：对c形换热器的c形传热管束部分进行多孔介质建模和通道级网格划分：

8、步骤2-1：在cad软件solidworks中对c形换热器的传热管束部分进行多孔介质几何建模：忽略单一传热管的壁面特征，将整个传热管束均匀化，依次建立横管、竖管、弯管段的多孔介质连通域，得到传热管束几何模型；

9、步骤2-2：采用icem软件对传热管束几何模型进行通道级网格划分：将整个传热管束划分为若干方形网格通道，使得单一方形网格通道映射单一传热管，得到通道级传热管束网格；

10、步骤3：将步骤1得到的c形换热器进、出口腔室及管板的精细化边界层网格与步骤2得到的通道级传热管束网格同时导入fluent软件，导入时选择网格合并选项；在精细化管板网格与通道级传热管束网格的接触面建立耦合交界面，实现两部分网格间的耦合，得到整个非能动余热排出c形换热器一次侧耦合建模计算域；

11、步骤4：在fluent软件中，定义通道级传热管束网格为具有一定孔隙率的多孔介质区域，孔隙率按照下式求解：

12、

13、其中：ε表示传热管束网格的孔隙率，无量纲；

14、di表示传热管的内直径，单位：m；

15、p表示相邻传热管的间距，单位：m；

16、步骤5：在传热管束多孔介质区域的方向1、2、3上分别设置各向异性的阻力源项来约束传热管内流体的流向；其中方向1代表传热管束的平行方向，方向2、3代表传热管束的两个正交垂直方向，三个方向上的阻力源项按下式计算：

17、

18、其中：s1、s2、s3表示方向1、2、3上的阻力源项，单位：n/m3；

19、μ表示传热管内流体的动力粘性系数，单位：n·s/m2；

20、k表示传热管束多孔介质区域的渗透率，单位：m2；

21、v表示传热管内流体的流速，单位：m/s；

22、c表示惯性阻力系数，无量纲；

23、ρ表示传热管内流体的密度，单位：kg/m3；

24、步骤6：设置c形换热器进口、出口以及壁面边界条件：进口采用质量流量入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，壁面采用对称边界条件；

25、步骤7：使用fluent软件标准初始化功能对整个非能动余热排出c形换热器的一次侧流场进行初始化，设置迭代步数和收敛判据，开展整个c形换热器一次侧的耦合计算；

26、计算完成后，能够得到非能动余热排出c形换热器一次侧传热管级分辨率的流量分配及阻力、换热特性，并依此开展c形换热器一次侧流动减阻和强化换热的优化设计研究，提高核反应堆非能动余热排出系统的安全裕量。

27、与现有技术相比，本发明方法避免了全三维精细化建模方法对高性能计算资源的需求，克服了一维节点建模方法采用一维单根传热管模拟三维传热管束时的固有误差性，解决了全多孔介质建模方法无法精确得到流量分配特性和高分辨率物理场的问题。本发明综合了上述方法的优势，基于腔室管板三维精细化建模准确求解传热管间的流量分配特性，采用通道级多孔介质建模技术获取传热管级分辨率的一次侧阻力及传热特性，基于耦合交界面连通精细化计算域与通道级计算域，实现了非能动余热排出c形换热器一次侧的简化建模与精确计算，同时满足了高计算效率与高分辨率的工程需求，本发明能够为换热器的流动减阻、强化换热等优化设计提供研究基础，对于提升非能动余热排出系统安全裕量，保障先进核反应堆非能动固有安全性具有重要意义。

技术特征：

1.一种非能动余热排出c形换热器一次侧简化建模与计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种非能动余热排出c形换热器一次侧简化建模与计算方法，其特征在于，步骤7中设置的迭代步数为1000，收敛判据为残差小于10-4。

技术总结
本发明公开了一种非能动余热排出C形换热器一次侧简化建模与计算方法，包括以下步骤：1.对进、出口腔室及管板部分进行三维建模和精细化网格划分；2.对传热管束部分进行多孔介质建模和通道级网格划分；3.耦合精细化腔室、管板网格与通道级传热管束网格；4.定义传热管束网格为多孔介质区域并求解孔隙率；5.为多孔介质区域施加各向异性阻力源项；6.设置换热器进、出口以及壁面边界条件；7.初始化流场，开展整个C形换热器一次侧的耦合计算；本发明能够实现非能动余热排出C形换热器腔室及管板精细建模与传热管束通道级建模间的耦合计算，在大幅减少建模难度和计算量的同时，精确求解C形换热器管道级分辨率的流量分配、阻力及换热特性。

技术研发人员：王明军,何少鹏,王世奇,章静,田文喜,苏光辉,秋穗正
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13