摇摆条件下水平圆管内流动与传热的数值研究

发布时间：2020-11-06 19:43

　　 本文针对单相水为工质的水平圆型管道实验段进行等比例建模,采用ICEM软件对几何模型构建六面体全结构化网格;以FLUENT平台上提供的模型为基础,依据水平管道的摇摆运动方式构造非惯性坐标系下的外力模型,以此建立适用于摇摆条件下水平管道内单相水流动与传热的数理模型。根据理论分析添加动量源项,编写自定义函数,并将摇摆运动规律与动量源项表达式加载到FLUENT接口上。对摇摆条件下水平圆管开展了三维非稳态数值模拟研究,分别采用具有时均化方法的两方程k-ε模型、七方程RSM模型、以及具有非时均化方法的大涡各亚格子模型,并将各计算结果与实验数据进行比较,最后确定了最佳模型即大涡WMLES S-Omega模型。在验证数学物理模型可靠性的基础上,对摇摆中的各工况下水平管道内单相流体进行流动与换热的LES数值模拟研究。本文分别对静止和摇摆工况进行了大涡模拟,分析了静止工况和摇摆工况下管内流体的流场分布以及瞬时速度场的变化规律,并进行了比较。通过受力分析推导出摇摆条件下管内摩擦阻力系数公式,重点分析了摇摆条件下测试段内的压降组成以及各瞬时压降的变化规律。采用壁面恒热流密度边界条件,研究了摇摆运动对传热特性的影响。分析了管道壁面、近壁面流体的瞬时温度变化规律以及平均对流换热系数分布,最后对静止和摇摆条件下出口流体的温度进行了比较。重点研究了摇摆周期、摇摆幅值、雷诺数以及摇摆半径等因素对流动与传热特性的影响。数值仿真计算结果表明:摇摆条件下,瞬时摩擦阻力系数、瞬时速度和瞬时温度随时间周期性波动,横截面上与摇摆轴平行的水平线上各位置的瞬时速度和瞬时温度波动周期为摇摆运动周期的一半,其他位置的瞬时速度和瞬时温度波动周期都与摇摆周期相同,瞬时速度和温度的波幅从横截面顶底两端向截面中间逐渐减小;当其他因素相同时,随着摇摆振幅的增大,速度波动幅度、测试段驱动压降、重位压降、切向压降、离心压降的峰值和波动幅值、摩擦阻力系数的峰谷值和平均值都逐渐增大,而壁面瞬时温度值、壁面温度波动幅值、时均值却都减小;当其他因素相同时,随着摇摆周期的增大,顶部壁面瞬时温度的最大值、壁面温度变化幅值与时均值都增大,而各监测点平均速度、速度波幅、测试段驱动压降的变化范围、切向压降、离心压降以及摩擦阻力系数的峰谷值及平均值都减小;摇摆条件下随着流体雷诺数的增大,测试段内摩擦阻力系数和顶部壁面温度的波动幅值和平均值都减小。此外还发现摇摆半径越大,其摩擦阻力系数的波动范围越大,而摇摆半径对水平管内传热基本没有影响,这可以从一定程度上说明摇摆运动下科氏惯性力是影响水平圆管内传热的主要因素。摇摆条件下水平管道内会出现二次流,二次流是造成摇摆条件下流体流动传热与静止工况区别的重要因素。在海洋条件下,摇摆运动会产生周期性变化的附加惯性力,而附加惯性力的存在会引起流动与传热边界层的变化,最后造成了水平圆型通道内流动阻力以及传热系数的变化。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

Ｋｒａｕｓｅ提出核电领域的下一个年，是ＳＭＲ技术百花齐放的十年的观点。将小堆技术??应用在船舶上或者海上油气浮动平台上，就形成了浮动核电站，其作为一种灵活、安??全、经济的核电新形式【７】，能够弥补海上能源短缺的问题，可以为海上油气开发及边??远岛屿供应电力、油气、供热，淡化海水等［８］。浮动式核电站具有用途广泛性、使用??灵活性以及造价低廉性［９］等特点，已日渐成为国际上核能发展的新趋势。世界各核电??强大国家均踊跃研发这类核电站。早在１９６３年，美国军方就成功将核电装置安装在??船舶上克服了电荒困难，俄罗斯率先公开报道计划建造浮动式核电厂为北极供给能??源，从筹划、动工直至２０１６年７月，世界上第一台海上浮动核电站，俄罗斯“罗蒙诺??索夫院士”号入海试验，法国研制了下沉式海上浮动核电站Ｈｅｘｂｌｕｅ，韩国建立了?ＧＢＳ??式浮动核电站［１（），１１］，肯尼亚在核电基础架构建设方面取得显著进展并有意与俄罗斯合??作建设浮动式核电厂［１２］，西屋公司、巴威公司、纽斯凯尔公司、霍尔台克公司都在积??极研发小型堆项目［ｕ］。在这种国际大背景以及我国海上能源需求下，我国也积极研发??小型海上浮动堆以及海上核动力平台，国家发展与改革委员会己在２０１６年复函同意??中核及中广核各自申报的ＡＣＰ１００小型核电站及ＡＣＰ１００Ｓ浮动核电站并将其列入国??家“十三五”规划【１４＿１６】。??

家“十三五”规划【１４＿１６】。??纖論??（ａ）俄罗斯ＫＬＴ－４０Ｓ反应堆装置示意图（ｂ）俄罗斯浮动式反应堆图【１７１??图１－２俄罗斯反应堆图??Ｓ?１－２?Ｔｈｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｎｕｃｌｅａｒ?ｐｏｗｅｒ?ｐｌａｎｔ?ｒｅａｃｔｏｒ?ｏｆ?Ｒｕｓｓｉａ??（ａ）?ＫＬＴ－４０Ｓ?ＮＰＰ?ｒｅａｃｔｏｒ；?（ｂ）?Ｆｌｏａｔｉｎｇ?ＮＰＰ?ｒｅａｃｔｏｒ??在学术界，浮动式核电站的研究也是炙手可热的课题，在国际上具有影响力的多??个学术会议上设有ＳＭＲ的专题研讨。在ＡＳＭＥ举办的小型堆专题会上，麻省理工学??院提出与“罗蒙诺索夫院士号核电厂”相比离海岸更远更大规模的新型浮动式核电??２??

２．１摇摆条件下的物理模型??海上平台和船会在波浪和风速等海洋环境的影响下运动不稳定，其运动方式按平??动和转动有６个自由度的运动，如下图２－１所示，由于相对于倾斜和垂直振荡而言，??摇摆运动更繁杂，倾斜仅仅造成了几何位置的变化，垂直的振荡使重力加速度场发生??变化，而摇摆运动是一类往复的变速运动，不仅具备倾斜、垂荡的特点，还引入了三??种附加加速度，即离心加速度、切向加速度和科氏加速度，三种加速度的大小、频率??和方向各有不同，且随着时间其大小、方向会发生变化［４５］。本文的研宄对象为海洋条??件摇摆运动下水平圆管内流动与传热特性。??？??Ｙａｗｉｎｇ??Ｓｕｒｇｉｎｇ??Ｓｐｙｉｎｇ?＾?／?ａ?Ｒ〇丨丨ｉｎ．９??Ｊｆ?ｉ／?Ｈｅａｖｉｎｇ??图２－１船的６个自由度的运动示意图［６２】??Ｆｉｇ．２－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?６?ｄｅｇｒｅｅｓ?ｏｆ?ｆｒｅｅｄｏｍｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｈｉｐ??海洋条件下实际的运动方式比较复杂，是６个自由度耦合的结果。为了对海洋条??件下的运动对流体流动与传热的影响有一个较为清晰的认识，通常研究单个自由度运??１３??
【参考文献】

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本文编号：2873580