偏滤器极限热流数值预计方法对比研究.doc

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1、偏滤器极限热流数值预计方法对比研究夫青山（武夷山大学）摘要：临界热流的数值模拟是新型偏滤器冷却结构设计优化的有效于段，而H前尚无成熟有效的水冷偏滤器临界热流数值预测方法，针对此问题，木文对比研究J'均相流沸腾模型和两流体沸腾模型对水冷偏滤器临界热流进行数值模拟的适用性；通过两种模型含气貳分布、壁面温度、壁面平均换热系数、临界热流值等计算结果的对比，发现针对本文的硏究对象和研究参数范用，均相流沸腾模型对于临界热流值的计算普适性较好，对于不同工况的临界热流计算谋差均不超过20%；两流体沸腾模型对于高压力工况（捡=4.2Mp“）临界热流计

2、算误差小于5%,但对于低压力工况（血=O.2Mpa）计算误差达到40%：在两相体积分数和榷血换热系数分布上两流体模型计算结果比均相流模型更合理。关键词：水冷偏滤器：临界热流：数值模拟：沸腾换热屮图分类号：TL62+6文献标识码：A1引言偏滤器是托卡马克聚变装置屮排除杂质和输出反应能的关键部件，H前大多采用水冷，其临界热流（CriticalHeatFlux,CHF）是影响聚变装置安全性的重要限制性参数。对于偏滤器CHF的预测国内外学者通过理论和实验研究，提出了许多半机理模型和经验关系式小引。这些模型和关系式对其试验范围内的工况和换热结

3、构适用性强，而对于新型换热结构的偏滤器临界热流预测准确度不足,数值模拟CHF预测方法是新型偏滤器冷却结构设计优化的有效手段⑷。高热流管流屮临界热流发生在过冷沸腾状态下，对过冷沸腾的数值模拟H前主要有两种方法，分别为采用欧拉均相流沸腾模型⑸和两流体沸腾模型⑹进行数值计算。欧拉均相流沸腾模型采用平均化的方法对两相进行处理，处理方法较为简单，适用性较好，对于过冷核态沸腾阶段和过冷膜态沸腾阶段均可以进行计算，但无法清楚表现出两和间的作用。郭雷、张树生等人⑺在使用该模型对竖直矩形细通道内沸腾换热进行计算时发现，模型可以模拟出典型临界热流现象，

4、但准确性不足。对于两流体沸腾模型，该模型分别对两相进行求解，并通过相间作用将两相联系起来，对两相间的作用描述较为清楚，可以完整描述过冷沸腾的各种流动和换热机制凶，其计算准确性取决于对流动换热机制描述的正确性。EckhardKrepper等人⑷和Y.Bournonville等人⑼在对不同的过冷沸腾工况进行数值模拟吋，发现其对于过冷核态沸腾阶段的计算比较准确，但无法有效模拟出临界热流发生时的壁面温度突升现象。其原因主要在于临界热流发生前后管内的流动和换热机制发生变化，模型屮缺乏对不同流动换热机制的处理方法。为了解决这一问题,Ioilev

5、A,和SamigulinM等人［⑼提出了采用分布函数来对不同流动机制进行描述的方法,但其对于偏滤器临界热流进行计算的可行性尚无具体研究。为获得水冷偏滤器临界热流数值预测方法，木文将对比研究均相流沸腾模型和两流体沸腾模型对水冷偏滤器临界热流进行数值模拟的适用性；通过两种模型含气量分布、壁面温度、壁面平均换热系数、临界热流值等计算结果的对比探索偏滤器临界热流数值计算方法，为工程设计提供技术支持。2数值模拟方法2.1计算模型为便于与试验数据进行对比，本文对Ronald［,,］等人的水冷偏滤器试验模型进行计算，偏滤器模型如图1所示,计算工况

6、如表1所示，其屮工况1是Ronald1121等人的试验工况，其压力较低，为了更全而比较两种模型的适用性，令取高压工况进行计算，即工况2。计算小，采用速度进口和压力出口，并假设出口边界两相处于同一个压力场。加热壁给定热通量。壁面对液相水设定为无滑动边界条件。增加100mm长的进出口段，免除进出口效应的影响。网格划分如图2所示，为消除计算结果对网格的依赖性，进行网格独立性试验，结果表明网格数加密至100万时，数值解稳定。Inlet图1偏滤器实验模型图图2CFD数值计算网格划分表1计算工况计算工况出口压力P/MPa进口流量v/(m-s!)

7、热流密度g/(MW(rf2)进口水温trc10.2071.180.2—1.22624.541—102002.2均相流沸腾模型均相流模型将流动的气液两相看作一种具有特殊物性均匀介质，其物性参数取两相平均值。相变的实现通过在控制方程加入质量源项和能量源项实现。对于质量传递源项，使用Lee模型來表示两相间的质量传递：TvaiPi(Ti-Tsat)TsatTsat⑴/T]

8、和温度，K；T】和q分别为液相和气相的时间松弛因子，为保证计算的准确性，采用Hertz・Krwdsen公式［⑶来计算其值。根据分子动力学理论，交界而上的表而蒸发冷凝质量流量可以表示为:其屮F为表面质量流量kg/sm2；P*为气体压力P