[發(fā)明專利]一種鉛冷快堆控氧過程中氧濃度擴散數(shù)值模擬方法

有效

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• 申請日: 2020-07-22
• 公開（公告）號: CN111881631B
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發(fā)明（設計）人: 王成龍;張衍;張大林;蘇光輝;秋穗正;田文喜
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/10
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發(fā)明公開了一種鉛冷快堆控氧過程中氧濃度擴散數(shù)值模擬方法，可用于鉛冷快堆氣相控氧和固相控氧過程中質量交換器內氧濃度擴散和分布特性數(shù)值模擬研究。通過對氣相控氧和固相控氧的共同特性進行研究，將控氧過程中的多相流物理現(xiàn)象簡化為單相模擬，可以基于一套方法同時完成氣相和固相控氧的數(shù)值模擬。本發(fā)明具有資源占用低、結果可靠性高的特點，可用于鉛冷快堆氧控實驗預分析，有助于節(jié)省實驗資源，獲得更好的實驗效果。

技術領域

本發(fā)明涉及鉛冷快堆計算流體力學模擬技術領域，具體涉及一種鉛冷快堆控氧過程中氧濃度擴散數(shù)值模擬方法。

背景技術

鉛冷快堆是指以液態(tài)金屬鉛或鉛秘合金(統(tǒng)稱鉛基冷卻劑)為冷卻劑的一類反應堆，屬于第四代反應堆，具有優(yōu)秀的中子經濟性和安全性，在小型化和模塊化方面有廣闊發(fā)展前景。鉛基冷卻劑對結構材料的腐蝕作用是制約鉛冷快堆發(fā)展的關鍵問題，目前針對腐蝕問題最具可行性的解決方法是通過控制鉛基冷卻劑中的氧濃度實現(xiàn)的。通過將冷卻劑中的氧濃度控制在一定范圍內，就可以使得結構材料表面生成一層保護性氧化膜，阻止冷卻劑對結構材料的進一步腐蝕。同時，氧濃度的范圍還必須保證低于氧化鉛和氧化鉍的溶解度，防止氧化鉛和氧化鉍析出，堵塞流動通道。因此，可以看出，氧控防腐蝕的實現(xiàn)關鍵在于對氧濃度的精確控制。

目前控氧技術主要分為兩方面，氣相控氧和固相控氧。氣相控氧通過氣體與鉛基冷卻劑的表面氧氣質量交換使氧氣溶解于冷卻劑中，需要降低氧濃度時，可以通過氫氣與鉛基冷卻劑的反應將多余氧氣帶走，即可實現(xiàn)氧濃度的控制。氣相控氧根據(jù)使用氣體不同主要分為氫氣/氧氣控氧和氫氣/水控氧兩種。固相控氧中，控制鉛基冷卻劑流經氧化鉛質量交換器，通過調節(jié)通過的鉛基冷卻劑溫度和流量即可改變質量交換器出口的氧濃度，從而對系統(tǒng)中氧濃度進行控制。

由于鉛冷快堆是一個新型的反應堆，各個國家對其研究還尚處于探索階段。對于氧控技術的研究主要集中在實驗方面，而氧控實驗需要特制的氧濃度測量儀，造價高且易損壞，因此在實驗前需要針對實驗工況進行數(shù)值模擬預分析。目前尚未報道有關于鉛基冷卻劑氧濃度擴散數(shù)值模擬方法方面的研究。

發(fā)明內容

針對上述存在技術問題，本發(fā)明提供一種鉛冷快堆控氧過程中氧濃度擴散數(shù)值模擬方法，可以同時用于氣相控氧和固相控氧數(shù)值模擬，計算消耗資源低，計算結果可信度高，可以為控氧實驗提供預分析，減少實驗成本。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種鉛冷快堆控氧過程中氧濃度擴散數(shù)值模擬方法，步驟如下：

步驟1：氧控裝置建模：氧控裝置計算模型只包括液體部分，將氣體和固體部分簡化為給定氧濃度的邊界條件；其中氣相控氧中認為氣液兩相交接面維持不變，將氣液兩相交界面建模為固定壁面；固相控氧中首先采用離散單元法進行氧化鉛顆粒隨機堆積模擬，利用堆積結果進行流體力學建模，建模中不包括氧化鉛顆粒，只針對鉛基冷卻劑工質流道進行氧控裝置建模；

步驟2：網格生成：固相控氧中氧化鉛為小球形式，氧化鉛小球之間相互接觸，因此需要對氧化鉛小球直徑進行微調便于網格生成，網格生成中需保證氧化鉛顆粒表面第一層邊界層網格位于層流子層內，便于采用近壁面處理模型進行邊界層內氧擴散計算；

步驟3：物性調用和氧控裝置計算模型設置：由于氧氣在鉛基冷卻劑中溶解度非常低，因此氧氣和鉛基冷卻劑混合后的物性依然采用鉛基冷卻劑本身物性；湍流模型選擇中，氣相控氧模擬選擇標準k-ε湍流模型，固相控氧模擬選擇SST k-ω湍流模型；邊界層處理模型選擇中，氣相控氧模擬選擇Enhanced壁面處理模型，固相控氧模擬使用SST k-ω湍流模型默認的邊界層處理模型；對于鉛鉍工質，湍流施密特數(shù)設置為0.9；

步驟4：氧控裝置計算模型及邊界條件設置：邊界條件包括入口流速、入口湍流強度、入口氧濃度、入口溫度和邊界氧濃度；邊界氧濃度根據(jù)控氧方式確定，計算公式如下：

若為氫氣+氧氣型氣相控氧或固相控氧，則邊界處氧濃度達到飽和，即：