套管内液态金属钠水力特性数值研究

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1、套管内液态金属钠水力特性数值研究　　摘要：本设计旨在通过数值模拟方法，研究液态金属钠在套管内流动时的水力特性，以及对套管内水力特性的影响因素。本设计运用CFD软件对液态金属钠在套管内流动过程进行数值模拟，并研究不同雷诺数即不同的入口速度，不同的套管间隙宽度两个方面下的阻力特性。结果发现：在套管间隙为0.5mm，1.0mm和1.5mm时液态金属钠在流动时，由层流到湍流的转折点明显提前，临界雷诺数大约在700左右，并且没有明显的过渡区。同时通过拟合曲线可以得出摩擦阻力系数的计算公式，并得出层流流动时

2、常数C为95的结论，和理论公式进行比较，验证了拟合公式的正确性。　　关键词：套管；液态金属钠；水力特性；数值模拟　　一、绪论　　相对轻水堆，快堆堆芯功率密度高出数倍，因此快堆对其冷却剂的传热性能有着非常严格的要求。就热工水力方面而言，要求冷却剂有很大的传热系数和较小的粘性损耗。快中子增殖堆要求选用传热性能好而中于慢化能力小的冷却剂。金属钠的熔点低，而沸点却很高，导热性能比水高好多倍，又不易慢化中子，是十分理想的快堆冷却剂。10　　液态金属钠具有较高的热导率，而粘性较小。液态金属钠的普朗特数比大多

3、数流体要低几个数量级，因而其流动传热过程与大多数流体有很大不同。在非等温流动情况下，对于Pr1的液态金属钠来说，其热导率很高，在加热或冷却情况下，边界层内的流体温度与主流温度相差很少，在计算摩檫系数时，一般按等温工况考虑[1]。　　文献[2-7]的有关结论是基本一致的，窄环隙内的流动阻力特性不同于普通流道，不能用计算普通圆管阻力系数的方法来计算窄环隙内的阻力系数，在平均阻力特性方面，层流区的阻力系数的总的变化趋势是随着流道间隙的减小而下降，与理论计算式预测的变化趋势相反，同时在紊流区，阻力特性与

4、层流区相似的变化规律，但当雷诺数大于一定值时，不同尺寸的流道的摩擦阻力系数趋于一致，与理论计算值基本一致。　　本设计选取套管内液态金属钠流动过程作为研究对象，利用CFD软件探索液态金属钠在钠冷快堆中套管内流动的水力特性，主要是阻力场的特点，并讨论分析主要影响因素。　　二、水力特性数值研究　　1、建立模型　　套管为轴对称的三维几何体，在用GAMBIT进行模型建立的时候可以简化为二维图形。首先确定一组套管，入口温度为573.15K，雷诺数Re为104，内径D1=10mm，外径D2=12mm，当量直径

5、D=D2-D1=2mm，考虑到入口段效应，先取长度为60D=120mm进行建模，导入FLUENT后进行验证。接下来进行网格剖分，设定区域类型和边界类型，该模型有4个边界：inlet，outlet，wall-in，wall-out，边界类型分别为：velocity-inlet，outflow，wall，wall。　　2、导入FLUENT进行计算10　　关系式2-1到2-4分别为导热系数，定压比热容，动力粘度，密度的物性参数随温度变化的关系式。　　利用以上的关系式可得出573.15K的液态钠，其物性

6、参数为密度为877.89kg/m3、比热容为1266.15J/（kgK）、导热系数为76.603W/（mK）、动力粘度为0.0003439kg/（ms）。　　假定流体水平运动，不考虑重力的影响，运行环境不设置参考压力大小，采用默认的标准大气压101325Pa。液态金属钠在套管内流动是单相且不可压缩，分离式求解器主要用于不可压流动和微可压流动，在分离式求解器中，只采用隐式方案进行控制方程的线性化，求解过程在时间上是稳态，所以求解器选择二维双精度、隐式压力基、稳态、轴对称求解器。　　液态金属钠是粘性

7、流体，RealizableK-？湍流模型能够有效的用于不同类型的流动模拟，包括管道内流动，边界层流动等，而标准的K-？湍流模型在用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时，会产生一定的失真。RealizableK-？湍流模型和标准的K-？湍流模型均是针对充分发展的湍流才是有效的，也就是这些模型是高Re数的湍流模型，但是在近壁面区的流动，Re数较低，湍流发展并不充分，湍流应力几乎不起作用，湍流的脉动影响没有分子粘性的影响大，这样必须采用特殊的处理方式：一是采用低Re数K-？湍流模型，二是采用壁面函数

8、法，所以计算模型选择能量方程，湍流模型选择RealizableK-？湍流模型，用加强壁面函数法，控制y+小于5，对于第一层网格高度的设定，采用了无量纲参数y+作参考，流体不考虑粘性耗散和流动换热。10　　因为流体和管壁都是等温恒定，在定义材料时，假定流体温度为300，利用液态金属钠的物性参数的关系式，可自定义材料温度为573.15K的液态金属钠。选择壁面材料温度为573.15K的不锈钢，假设为光滑管道，不考虑偏心度。　　设置边界条件：（1）速度进口：以雷诺数确定入口速度，湍流模型参数为给定湍流强