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《快堆钠池自由液面波动的三维数值模拟_韩标.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第18卷第3期核动力工程Vol.18.No.31997年6月NuclearPowerEngineeringJun.1997快堆钠池自由液面波动的三维数值模拟韩标姚朝晖叶宏开王学芳(清华大学工程力学系,北京,100084)采用VOF方法成功地模拟出了含有各种复杂进、出口流边界及各种障碍物的三维液面波动,并可用部分单元体法求解任意形状容器内含自由液面的液体运动。针对影响快堆钠池液面波动的各种因素,可给出不同工况下液面的波动形状、钠浪波动的最高位置和最低位置以及钠浪涌的量级。本文提供了VOF数值方法的主要原理,在NASA-VOF3D的基础上开发了计算分析程序,及快堆钠池液面波动的
2、部分计算结果。关键词快堆钠池液面波动数值模拟1前言目前,快中子增殖堆的开发受到广泛的重视。由于液态钠具有优越的物理性能和热工性能,因此各种型式的快中子增殖堆都选用液态钠作为快堆堆芯的载热剂。钠冷快堆一回路有两种回路形式:回路式和池式。从目前发展状况和趋势看,明显倾向于池式结构。由于钠具有较活泼的化学性质,高温下极易与空气发生剧烈的化学反应,因此在钠池中钠液面上充满了氩气,作为保护气体。这样,钠液的波动,很可能把部分氩气夹进液体中,形成气泡,影响一次钠回路系统的载热效应,甚至造成事故。因此,对快堆钠池液面波动进行数值模拟计算,根据钠池中钠液流动状态和钠池液面的具体波动情况,为快
3、堆钠池结构设计提供直接的依据,是快堆设计研究的重要课题。2含自由液面流体流动的数值模拟处于平衡状态的液体,在某种扰动作用下原平衡状态受到破坏,若液体不可压,这些扰动会立刻传到整个流场,迫使液体产生振荡运动,液体的自由面形状将发生变化,液体波动现象十分复杂。计算含自由液面的流动,归根到底是结合具体的边界条件和初始条件,对连续方程及运动方程(Navier-Stokes方程)进行数值计算。常用的数值方法为有限差分方法,其中较典型的方法之一为由Harlow和Welch等人1965年在美国LosAlamos科学试验室发展起来的标记点格子法(MAC方法)。MAC方法第一次成功地处理了不可
4、压缩的、粘性的、非定常的含自由表面的流体运行。收敛性差是其主要弱点,另外追踪大量的示踪粒子需要大量的计算注:本课题为国家863高科技项目快中子实验堆专题。1995年11月7日收到初稿,1996年6月28日收到修改稿。212核动力工程Vol.18.No.3.1997内存和运行时间。鉴于MAC法的缺陷,Hirt和Nichols等人在MAC方法的基础上提出了含液体自由表面问题的另一种计算方法:流体体积函数法(VOF法),即用一流体部分体积函数来跟踪自由表面。VOF方法允许较陡的自由表面和非单一表面的情形;它的另一特点是需要较少量的计算机存储单元,具有处理复杂自由表面流体力学问题的
5、优越性。Wartin,D.Torrey等人将VOF方法推广到三维情形(NASA-VOF3D),在处理曲面边界时采用了部分单元体方法,将部分单元体参数用于边界单元体的连续方程和流体体积函数F的传递,使得VOF方法的应用范围得到了显著推广。3VOF数值方法对于刚性的、装有非满粘性流体的容器,假定流体是不可压缩的、均匀和层流的,忽略流动过程中的热效应,则构成求解的封闭方程为流体所满足的连续方程及Navier-Stokes方程。其中连续方程为uvw++=0(1)xyz式中,u,v,w分别是x,y,z方向的流体速度;m/s。流体满足的N-S方程为222u+uu+vu+
6、wu=-1p++(u+u+ugx222)(2)txyzxxyz222v+uv+vv+wv=-1p+g+(v+v+vy222)(3)txyzyxyz222w+uw+vw+ww=-1p+g+w+w+wz(222)(4)txyzzxyz32式中,p为流体压力,Pa;为流体密度,kg/m;为流体的运动粘性系数,m/s;2gx,gy,gz为x,y,z方向的体积加速度,m/s。3.1基本方程的离散求解基本方程的有限差分网格由长方体单元组成。长方体单元的三个尺度为xi,yj,zk
7、。容器被一层虚设的边界单元体包围着,以此设置长方体容器的边界条件,可使得用于内部流体单元的差分方程同样地应用到边界单元(图1)。压力Pi,j,k和流体体积函数Fi,j,k位于单元体中心,速度分量ui,j,k,i,j,k与Wi,j,k分别位于图1单元体内速度分量、单元体右侧面,后面和顶面中心。该图也示意了部分单压力和F函数的位置元体方法所定义的部分单元体几何量的位置。ARi,j,k是单元体右侧面的过流率,ABKi,j,k是单元体后面的过流率,ATi,j,k是单元体顶面的过流率,ACi,j,k是单元体中流
