矩形通道的流固耦合传热模拟

第33卷第2期

2012年 4月

文章编号：0258-0926(2012)02-0078-06

核动力工程

Nuclear Power Engineering

Vol.33. No.2 Apr. 2012

矩形通道的流固耦合传热模拟

毕树茂，刘昌文

中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610041

摘要：针对带发热板的矩形通道，利用CFX程序对其进行流固耦合传热模拟，并对网格进行传热方面的敏感性分析，得到较好的网格尺度。最后，通过与直接添加表面热流密度模拟的对比，分析流固耦合传热模拟的好处。研究结果表明，流固耦合传热模拟能更准确地研究通道的薄弱环节，提高热工性能。

关键词：矩形通道；流固耦合；传热；CFX程序；敏感性分析中图分类号：TL33 文献标志码：A

1 引言

由于矩形通道具有结构紧凑，燃料芯体温度低，换热面积大等突出特性，适合于具有高传热性能的紧密传热组件，在核动力领域具有很大的应用潜力。相对于传统采用棒状燃料组件的压水堆，采用板型燃料组件的压水堆堆芯活性段的流道形状有很大的改变，堆芯流动及传热特性差异很大。为了进行板型燃料组件的优化设计和深入的安全分析，有必要对这种特定复杂堆芯结构进行细致的研究。

随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学（CFD）作为流体力学领域第三种重要研究方式逐渐被认可。CFD方法既可深入了解流体的流动及传热过程，又可减少实验以节省成本，近20年来的大量研究成果充分证实了其可靠性。流固耦合传热模拟作为近年来CFD研究的突出成果，能够对通道内壁的传热进行模拟，使模拟更接近真实条件，获得更准确而丰富的温度场。因此，本研究使用基于CFD方法的CFX程序，对矩形通道进行考虑发热的流固耦合传热数值模拟，以获得矩形通道的温度场。并通过网格敏感性分析，探索有效的矩形通道流固耦合传热模拟方法，为实现板型燃料组件的流固耦合传热模拟打下基础。

时间，快速获得更多的数据以便分析研究，模拟计算的对象由2块发热板和1个流道组成（图1）。

图1 研究对象简图

Fig.1 Sketch Map of Study Object Section

b——窄边；A——宽边对应的面

2 数值模拟

2.1 计算对象

此次模拟主要在于研究方法，为了节省计算

收稿日期：2011-02-22；修回日期：2011-10-20

2.2 网格划分

根据上述的区域划分，利用Unigraphics NX软件建模，建立研究对象的几何结构。然后利用ICEM CFD软件进行网格划分。由于物性和发热选项不一样，必须将固体划分为3个不同的域：①包壳（CLADDING）；②发热的燃料芯板考虑为另2个固体域（ROD1和ROD2）；③流体域（FLUID）。六面体网格处理规则形状的流道比较容易，而且可以生成3个方向尺度差异很大的网格而仍能保证较高的网格质量。本次研究的流道形状比较规则，且流道狭窄，3个坐标轴方向的尺度差异很大，采用六面体网格既能有效控制网格数量，又能保证迭代收敛和较高的求解精度。在网格划分时，对径向和靠近发热板的流体近壁面应该局部加密，而在矩形通道内部采用长宽比较大的网格，以节省网格数量。对轴向，由于流道是闭式通道，流动行为简单，网格不需要加密。所得网格见图2。

毕树茂等：矩形通道的流固耦合传热模拟 79

图2 流固耦合网格划分图

Fig.2 Sketch Map of Fluid-to-Solid Conjugate

Mesh Division

定耦合边界上的温度分布，对其中一个区域（例

如Ⅰ）进行求解，得出耦合边界上的局部热流密度和温度梯度，然后应用式（2）或式（3）求解另一个区域（Ⅱ），以得出耦合边界上新的温度分布。再以此分布作为区域Ⅰ的输入，重复上述计算直到收敛。

2.3 计算模型

由于矩形窄缝通道内边界层湍流作用非常明显，近壁面湍流和过渡湍流占的比例较大，本研究使用SST湍流模型[1]。

在物性设置上，由于热源的添加，流体和固体的温度将会不断变化，带来变物性问题。对于作为冷却剂的水，本次研究利用CEL（CFX描述表达式的语言）将它的各相关物性（密度、定压比热容、动力粘度和导热系数等）写成温度的函数，通过插值法获取它在工作压力下的物性表中的相应温度对应的物性，实现对变物性的合理处理。对于芯体和包壳的物性也做类似的处理。

在边界条件设置方面，针对流固耦合的特点，应该对不同计算域设置不同的计算条件。对于约束流道的2个壁面，设置对称性边界条件，这正是将研究对象简化为图1形状的原因。外壁面均设置为绝热壁面；与流体接触的壁面设为壁面无滑移的光滑壁面；流-固交界面和固-固交界面均设置热流密度连续的界面。对于流体，入口边界条件设置为流量和温度，出口边界条件设置为平均静压。燃料芯板的发热考虑为体热源。

本次模拟重点考虑流固耦合的传热问题，CFX中采用分区计算、边界耦合方法。实施步骤为[2]：①分别对各个区域中的物理问题建立控制方程；②列出每个区域的边界条件，其中耦合边界上的条件可以取下列3种表达式中的2个：

（1）耦合边界上温度连续：

TW??TWqW??qW

3 初步计算结果

利用所得网格和计算模型完成CFX程序前处理，带入CFX-solver程序中计算。收敛曲线见图3和图4（其中均方根残差和不平衡度均为归一化值）。

图3 质量、动量和能量方程收敛曲线

Fig.3 Convergence Curves of Mass, Momentum

and Energy

图4流体域各参数不平衡度曲线

Fig.4 Convergence Curves of Imbalance in Fluid

（1）（2）

为了更好地观察收敛情况，在流道中心处（点1）和拐角处（点2）分别设置了监测点。其归一化速度和温度（相对某基准温度的温度偏差）收敛曲线分别见图5和图6。

由图3可见，经过102步迭代，各相关物理

－

量的均方根残差都达到了106。

不平衡度定义为（流入流场的量－流出流场的量）/流入流场的量。

不平衡度是检查数值计算是否收敛的一个重

（2）耦合边界上热流密度连续：

（3）耦合边界上的第三类条件：

??T???????h?TW?Tf??? （3） ??n?W

式中，TW为耦合边界上温度； qW为耦合边界上热流密度；λ为热导率；h为表面换热系数；Tf为流体温度；T为温度变量；n为壁面厚度；③假

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图8 出口截面温度分布

Fig. 8 Temperature Distribution at Whole Outlet Section

图5 监测点速度收敛曲线

Fig. 5 Convergence Curves of Velocity at

Monitoring Points

4 网格敏感性分析

靠近发热板的流体近壁区的流动直接影响流体和包壳间换热，因此对模拟结果会产生很大影响。为便于描述，假设窄边为b（图1），宽边对应的面为A。当把方向b靠近面A的第一层网格的厚度减小到初始值的1/10，其他条件保持不变，面A的平均表面换热系数增大22%。不同的网格尺度导致换热计算上存在明显的结果差异，有必要针对近壁区的网格敏感性进行分析。

大量试验表明，对于有固体壁面的充分发展的湍流流动，在壁面区流体运动受壁面流动条件的影响比较明显。壁面区可分为3个子层：粘性底层、过渡层和对数律层[3]。

粘性底层是一个紧贴固体壁面的极薄层，其中粘性力在动量、热量及质量交换中起主导作用，湍流切应力可以忽略，所以流动几乎是层流流动，平行于壁面的速度分量沿壁面法线方向为线性分布。

过渡层处于粘性底层的外面，其中粘性力与湍流切应力的作用相当，流动状况比较复杂，很难用一个公式或定律来描述。由于过渡层的厚度极小，所以在工程计算中通常不明显划出而是归入对数律层。

对数律层处于最外层，其中粘性力的影响不明显，湍流切应力占主要地位，流动处于充分发展的湍流状态，流速分布接近对数律。

图9详细表示了近壁区的划分与相应速度。为了用公式描述粘性底层和对数律层内的流动，引入2个无量纲数u+和y+，分别表示速度和距离：

uu?? （4）

图6 监测点温度收敛曲线

Fig. 6 Convergence Curves of Temperature at

Monitoring Points

要依据，工程中较好的不平衡度应该小于1%。由图4可见，经过约100步迭代后各方案的不平衡度均很小，其绝对值不超过0.03%。

监测点的速度（图5）和温度（图6）经过约80步迭代后达到稳定（变化幅度不超过0.2%），速度比温度达到稳定略快是因为发热的添加，温度有一个上升的过程，需要更多的迭代。

总之，从各方面看，收敛都非常好，结果值得进一步分析，同时这也充分体现了采用六面体网格的优势。