矩形通道的流固耦合传热模拟(2)

Correlative Velocity

目前有壁面函数法和低Re数模型2种方法来模拟近壁区流动。

壁面函数法不对粘性底层和过渡层进行求解，而是用一组半经验公式（即壁面函数）将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来。

采用低Re数模型求解粘性底层和过渡层，要求在壁面区划分非常细密的网格，越靠近壁面，网格越细。

本次模拟结构的尺寸相对较大，若采用低Re数模型，网格量上千万，计算效率非常低，不适合用于需要大量计算的研究。而壁面函数法的精度已经足够，因此本研究采用效率更高的壁面函数法。

按照CFX手册要求[4]，应将y+控制在20~100之间。但是，由于y+是迭代计算的结果，无法预先判断将y+控制在20~100之间的网格尺度，为了保证能覆盖这一范围，研究中分析了可行范围内的所有网格尺度。而主要影响模拟结果的只是近壁面第一层网格厚度s，分析中将s从0.4逐渐减小到0.01。

在结果处理方面，由于CFX中计算表面换热系数时使用的是临近壁面的流体温度作为主流温度，这使其结果和一般定义上的表面换热系数存在很大差异，无法进行比较，因此只能手动计算CFX模拟的表面换热系数。根据定义，表面换热系数hCFX?qTw?Tf?，q、Tw和Tf分别为表面热流密度、壁温和主流温度，都可由CFX直接输出。

根据文献[5, 6]，Dittus-Boelter公式可用于矩形通道换热系数的预测。即：

由表1可见，当y+在20~100之间时，相对偏差明显较小，从侧面说明CFX要求把y+控制在20~100之间的建议是合理的。为了减少网格数量，提高计算效率，应选取较大的s，因而最后选取s＝0.08（y+＝82.95）作为较合适的近壁面第一层网格厚度。对于窄边b的其他网格厚度，只要保证增长比率不大于2即可。

其他方向的网格尺度可做类似分析，但由于和传热关系不大，只要不让网格长宽比过大就可以。

5 流固耦合与单流体模拟比较

利用前面得到的最佳网格划分，分别绘制流固耦合网格和单流体网格。流固耦合的体热源根据总发热功率不变的原则转换为同样大小的表面热流密度，其他条件相同，进行对比计算分析。

表面热流密度的添加存在2种可能的方案：

；流固耦合为方案0（图方案1和方案2（图10）

11）。

由图11可见，流固耦合模拟能更好地反映流体内部的温度分布，尤其拐角处温度的逐渐过渡。表面热流密度添加方案1使未直接受热的拐角处

图10 表面热流密度添加示意图

Fig. 10 Two Ways for Surface Heat Flux Adding

hDB?0.023?Re0.8Pr0.4/De （6）

82 核动力工程 Vol.33. No.2. 2012

表2 截面C流体温度计算结果①

Table 2 Result from Temperature Calculation at Section C

方案

最小温度（Tmin）/℃ 最大温度（Tmax）/℃ 平均温度（Tave）/℃ 注：① Z为基准温度。

流固耦合 Z+5.502 Z+7.395 Z+5.939

方案1 Z+13.956 Z+18.615 Z+14.962

方案2 Z+2.145 Z+5.490 Z+3.164

得到与中间相同的表面热流密度，使得边角处温度偏高。方案2使受热比方案1更真实，得到的温度分布与流固耦合的结果也更接近，只是拐角温度由于完全缺乏热流，比实际偏低。总体来看，流固耦合得到的温度分布与理论分析更接近，可以认为更真实。而方案1得到的温度分布趋势与流固耦合的结果相反，无法反映实际情况，不可取。方案2的温度分布趋势与流固耦合的结果较接近，可作为单流体模拟的热流添加方案。

6 结论

（1）由于流固交界面的对流换热强烈依赖于

＋

流速，进行流固耦合传热模拟时必须对y进行敏感性分析，才能准确地模拟传热。对于本次研究的矩形通道，近壁面网格厚度取0.08为佳。（2）流固耦合传热模拟相比于直接添加表面热流密度的单流体模拟，能获得更真实的温度分布，尤其对于拐角处，其计算精度比单流体模拟提高了3℃左右。更准确的温度计算可以为进一步提高热工性能的设计提供参考。

参考文献：

[1] 阎超. 计算流体力学方法及应用[M]. 北京：北京航空

航天大学出版社，2006.

[2] 陶文铨.数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社， 2001.

[3]王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[4]ANSYS.CFX10.0 Reference Guide[M].Pennsylvania: ANSYS, 2005.119-122.

[5]Yukio Sudo, Keiichi Miyata, Hironiasa Ikawa, et al. Experimental Study of Differences in Single-Phase Forced-Convection Heat Transfer Characteristics between Upflow and Downflow for Narrow Rectangular Channel[J]. Journal of Nuclear and Technology, 1985, 22(3): 202-212.

[6]文彦. 矩形窄缝通道内水稳态及瞬态流动换热特性实验研究[D]. 西安：西安交通大学硕士学位论文，2008.

图11 流体出口温度分布比较

Fig. 11 Contrast of Outlet Temperature

Distribution of Fluid

由于3种模拟结果拐角处温度存在明显差异，于是在试验段出口建立面C （见图11方案0，方案1和方案2对应同一位置），对拐角处温度进行了计算，结果见表2。

由表2可见，流固耦合的温度计算结果都处于三者的中间，方案1温度均偏高，而方案2温度均偏低，相互间平均温差3~12℃，说明流固耦合传热模拟的必要。即流固耦合传热模拟能获得更真实的温度分布，尤其对于拐角处，其计算精度比单流体模拟提高3℃左右（相对方案2）。

（下转第103页）

朱荣生等：反应堆主泵压水室出口收缩角对水力性能的影响 103

作者简介：

朱荣生（1964—），男，研究员。2011年毕业于江苏大学流体机械及工程专业，获工学博士学位。现主要从事流体机械及工程研究。

李小龙（1984—），男，硕士生。现就读于江苏大学流体机械及工程专业。现主要从事流体机械及工程研究。袁寿其（1963—），男，教授。1995年毕业于江苏理工大学流体机械及工程专业，获工学博士学位。现主要研究方向为流体机械设计、理论研究及内部流动分析。

（责任编辑：张明军）

（上接第82页）

Simulation of Fluid-Solid Conjugate Heat Transfer

in Rectangular Channels

BI Shu-mao，LIU Chang-wen

Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610041, China

Abstract: The fluid-to-solid conjugate heat transfer (CHT) in the rectangular channels with heated plates was simulated with CFX code in this paper, and the analysis of the sensitivity of the mesh to heat transfer was conducted, and a better mesh scale was obtained. Finally, the advantage of fluid-to-solid conjugate heat transfer simulation was analyzed by the comparison with the simulation of direct surface heat flux adding. The results show that by the fluid-to-solid conjugate heat transfer simulation, the weakness of channels can be studied more accurately, and thus to improve the performance of thermal engineering.

Key words: Rectangular channel, Fluid-solid conjugate, Heat transfer, CFX code, Sensitivity analysis

作者简介：

毕树茂（1983—），男，工程师。2009年毕业于中国核动力研究设计院核能科学与工程专业。现主要从事反应堆热工水力和安全研究。

刘昌文（1970—），男，研究员级高级工程师。1991年毕业于上海交通大学核能科学与工程专业。现主要从事反应堆热工水力和安全研究。

（责任编辑：刘胜吾）