[發(fā)明專利]一種針對兩種流體傳熱交混破碎相變過程的無網(wǎng)格模擬方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710725986.2
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107563030A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張智剛;楊志;王芳;劉興超;魏巍
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是多相流傳熱相變模擬方法，具體地說是一種針對兩種流體傳熱交混破碎相變過程的無網(wǎng)格模擬方法。

背景技術(shù)

金屬燃料堆芯破損事故及其導(dǎo)致的熔融金屬材料與冷卻劑接觸的相互作用FCI(Fuel-Coolant Interaction)，是國際上金屬燃料鈉冷快堆堆芯安全研究面臨的一個重點和難點問題。在FCI過程中，兩種或兩種以上的熱熔融物質(zhì)與冷卻劑液態(tài)鈉之間的巨大溫差，強化了冷熱流體間的多相傳熱傳質(zhì)，使得流體接觸界面發(fā)生劇烈相變，并伴隨能量的瞬間釋放，以及熔融物質(zhì)的變形、破碎和凝固相變等，使得FCI過程極為復(fù)雜。

目前國內(nèi)關(guān)于金屬燃料與冷卻劑鈉相互作用的模擬程序比較缺乏，而國外的模擬程序主要關(guān)注FCI過程中，溫度變化以及產(chǎn)生的壓力脈沖,對于熔融金屬材料的凝固破碎尺寸并沒有太多的模擬研究。傳統(tǒng)網(wǎng)格面對此類存在自由界面的流體傳熱交混破碎相變問題時會出現(xiàn)網(wǎng)格大變形以及數(shù)值擴(kuò)散等問題，而無網(wǎng)格方法可以很好的解決這一問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種可實現(xiàn)兩種流體傳熱交混破碎相變過程，尤其針對兩相流動、凝固傳熱以及流固混合等復(fù)雜問題的模擬的針對兩種流體傳熱交混破碎相變過程的無網(wǎng)格模擬方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

步驟一，設(shè)定時間步長Δt、粒子間初始距離d₀、粒子的控制半徑R_e以及總的模擬時間t_total，設(shè)定t_n＝n·Δt，則在t₀時刻輸入初始化參數(shù)，包括熔融金屬流體的初始溫度T_h、速度V₀、形態(tài)，冷卻流體的初始溫度T_c；

步驟二，在t_n時刻采用基于焓方法的凝固相變模型進(jìn)行傳熱計算，n＞0，根據(jù)t_n-1時刻的粒子溫度T^n-1、焓值h^n-1、位置r^n-1、密度ρ^n-1以及熱導(dǎo)率K^n-1，計算得到t_n時刻粒子的溫度Tⁿ、焓值hⁿ以及液相分?jǐn)?shù)αⁿ；

步驟三，采用物性參數(shù)變化模型對處于相變區(qū)域粒子的物性參數(shù)進(jìn)行修正，根據(jù)粒子的液相分?jǐn)?shù)αⁿ，更新得到t_n時刻粒子的密度ρⁿ、熱導(dǎo)率Kⁿ以及粘性系數(shù)vⁿ；

步驟四，采用基于表面自由能的表面張力模型計算t_n時刻粒子所受的表面張力

步驟五，根據(jù)步驟三和步驟四所得的粒子物性參數(shù)ρⁿ、vⁿ和表面張力采用原始MPS方法計算出t_n時刻所有粒子的位置rⁿ和速度uⁿ，分為以下幾個小步驟：

1，不考慮壓力梯度項，顯式求解動量方程中的粘性項、表面張力項以及重力項，計算得出t_n時刻粒子的中間速度u^*和中間位置r^*；

2，計算壓力泊松方程，得出t_n時刻粒子的壓力值Pⁿ；

3，利用粒子的壓力值Pⁿ，對粒子速度進(jìn)行修正，得到t_n時刻粒子的速度uⁿ和位置rⁿ；

步驟六，根據(jù)步驟五中計算所得粒子位置rⁿ，采用碎片結(jié)合判據(jù)確定破碎相變產(chǎn)生碎片的粒子組成；包括液相分?jǐn)?shù)判據(jù)和粒子間距離判據(jù)，只有兩個判據(jù)同時滿足，才能判定兩個粒子結(jié)合成碎片；液相分?jǐn)?shù)判據(jù)為，兩個熔融金屬粒子的液相分?jǐn)?shù)均需滿足α₁＜α＜α₂，其中α₁、α₂是兩個可變參數(shù)且0≤α₁＜α₂≤1，根據(jù)具體模擬情況進(jìn)行調(diào)整；粒子間距離判據(jù)為，兩個熔融金屬粒子之間的距離需小于1.2l₀；

步驟七，采用流固混合模型(PMS方法)修正t_n時刻碎片中組成粒子的位置rⁿ和速度uⁿ，分為以下幾個步驟：