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1、TACR排管容器研究中多孔介质法的应用第27卷2006第3期年6月核动力工程NuclearPowerEngineeringVo1.27.No.3Jun.2006文章编号:0258—0926(2006)03-0024.04TACR排管容器研究中多孔介质法的应用廉海波,贾宝山,杨珏(清华大学工程物理系,北京,100082)摘要:以钍基先进重水堆(TACR:ThoriumBasedAdvancedCANDUReactor)慢化剂系统排管容器作为研究对象,提出了一种适用于计算排管容器内流场和温度场的非结构网格多
2、孔介质方法.并将其计算结果与精细数值计算法所获得的结果进行了比较,二者符合较好.由此验证了其方法与计算结果的正确性.关键词:钍基先进重水堆;排管容器;多孑L介质法中图分类号:TL36文献标识码:A1前言在钍基先进重水堆(TACR)慢化剂系统设计方案中,要求排管容器内慢化剂流场稳定,排管间流量和温度场分布均匀,以免局部流量过大造成对排管冲击力过大和局部温度过高而带来的安全隐患.TACR慢化剂系统排管容器为卧式,出入口位于容器的侧面,容器内慢化剂沿筒体径向方向流动.因此,本文将慢化剂系统排管容器横断面上的慢
3、化剂流场作为研究对象.由于流场内部结构复杂,采用数值方法进行模拟存在计算复杂,计算量大以及所耗计算时间长等缺点,本文提出采用多孔介质法来计算TACR重水慢化剂系统排管容器内的流场和温度场.2多孔介质法在排管容器分析中的应用2.1多子L介质法多孔介质法【l】将流体和流动区域内部的固体一起视为拟连续介质,文献[2】推导了引入多孔介质法的拟连续介质质量,动量和能量守恒方程的积分形式.在直角坐标系下,二维守恒方程采用多孔介质法后,其微分方程的统一形式为÷()+÷()=GXoy()十()十(1)收稿日期:2005
4、-03.22;修回日期:2005—05—10式中,P为密度,kg/m;U为方向的速度分量,m/s;v为Y方向的速度分量,m/s介质质量,动量,能量守恒方程所分别对应的质量,动量等物理量在此统一用表示;为物理量≯的扩散系数;S为源项;),为容积多孔度(孔隙率);,分别为,Y方向控制容积面上的表面穿透率.此外,,Y方向动量方程的源项中需要加入分布阻力B,,能量方程源项中需要加入分布热源Q.COMMIX[3]程序最先将多孔介质法引入反应堆热工水力计算中,提出了多孔度等概念,从流体力学方程出发,按局部体积或面积
5、平均导出质量,动量和能量守恒方程,能够有效地处理管束流动和传热问题.2.2排管容器分析中的多孔介质法COMMIX程序在直角坐标下,使用多孔介质法处理流场内部复杂结构对流动,传热造成的影响,并用锯齿形网格处理容器边界.由于流场的宏观流动主要由容器形状决定,因此,容器形状不能处理得太粗糙.TACR排管容器申匣化剂流场主流方向是沿管束径向,流体横向冲刷管束,这对容器形状的影响非常大.同时,慢化剂排管容器的出入口位于容器的圆周上,为了得到准确的出入口边界条件,容器边界需要采用贴体网格来处理.文献[4,5】采用圆
6、柱坐标系下的多孔介质法廉海波等:TACR排管容器研究中多孔介质法的应用25对排管容器内的流场和温度场进行分析.由于管束呈整齐的正方形排列.而圆柱坐标下计算网格为圆形排列的扇形网格,因此很难给出准确的多孔度,表面穿透率等多孔介质参数.本文采用非结构网格多孔介质法,一方面用非结构网格细致地处理流场容器边界,出入口边界及需要详细计算的局部流场,同时采用多孔介质法处理流场管束区,给出精确的多孔介质参数.为了达到管束区周围网格的光顺性,即要求网格线有足够的连续性,相邻网格间的夹角不能过大,并通过调整这些网格的源项
7、,达到管束区与反射层精细的非结构网格之间的衔接.图1显示了采用非结构网格多孔介质法时,生成的排管容器计算网格,左侧图为网格分布,右侧图为网格与排管管束位置关系对比图.其中流体出入口位置如图已标定,以下各图出入口位置相同.由图1可以看出,在排管容器的管束区,每根棒都对应了4个网格,为了便于准确地得到各多孔介质参数,采用了规整的正方形排列;在非管束区,采用三角形非结构网格分布,使得网格在容器边界上具有良好的贴体性;出口采用矩形的四边形网格,以便准确地得到出口处各物理量的分布.图1网格分布和管束位置Fig.1
8、GridsDistributionandCalandriaTubes在用非结构网格多孔介质法进行分析的计算模型中,采用了:①加入多孔介质参数的不可压缩流体模型和k-占两方程湍流模型;②用Boussinesq假设处理浮升力的影响;③用壁面函数法处理壁面边界条件,守恒方程的统一形式如公式(1)所示.采用多孔介质法.首先要给出多孔介质参数的分布.多孔介质参数的计算式如下:-l_警(2)式中,D为排管直径,m;上为栅距,m.(2)排管管束区排管占据
