FLUENT海洋环境自然循环流动模拟分析

1 前言

随着船舶核动力技术的发展，人们开始系统地研究海洋条件对反应堆热工水力特性的影响。海洋浮动核动力装置不同于陆上固定核动力装置，洋面由于时刻处于运动中，核动力装置实质上也在不停的运动，这就使其热工水力特性有别于陆上。

在海洋条件下，船舶的基本运动形式为：平动、升降（或称升潜）及摆（横摇和艏摇），实际的运动状态可能耦合了其中的几种。在这些运动下，流体除了受到重力加速度影响外，还可能受到平动加速度、角加速度、向心加速度以及科氏加速度（相关知识需要脑补运动学和动力学原理），这些额外的加速度引起了附加的惯性力从而影响流体的流动，特别是自然循环流体。其基本原理如下：
 

建立非惯性坐标系Oxyz（船舶）和惯性坐标系Ox’y’z’（地球），假设非惯性坐标系相对于惯性坐标系同时作平动和转动（通常将旋转中心设在非惯性坐标系的原点上），流体质点在非惯性坐标系Oxyz的径向量为r=xi+yj+zk。
 

      在非惯性坐标系下的动量方程还应该考虑附加的加速度项a。
 

今天，我们做一个海洋条件下，自然循环回路的流动特性分析案例。
 

2 建模与网格

建立如下的二维平面自然回路模型（注：坐标原点位于右下角），流道直径100mm，回路外轮廓1000mm×1000mm，左下角和右上角分别有一段热源壁面和冷源壁面，长度均为100mm。划分四边形结构化网格，节点数19404，最小正交质量0.999。为了方便后续监测回路的流量变化，在回路的适当位置创建一个内部面。

3 边界与求解设置

设置介质为液态水。
 
本案例假设回路绕着原点作横摇运动（如下图），最大横摇角度30°，横摇周期10s，则横摇角度、角速度和角加速度的关系式如下：
 

附加惯性力通过UDF源项施加到动量方程中，注意本案例将重力加速度和其他额外加速度共同作为动量源项施加，因此可以不用开启重力加速度。当然，也可以将额外的加速度和重力加速度的和加速度通过UDF的DEFINE_ADJUST宏修改软件的重力加速度，这样就不需要添加动量源项了，这种方法的UDF代码相对复杂一些，就不在本案例细说了。本案例的UDF代码及详细的中文说明放在文末付费阅读环节，请各位读者海涵。

创建一个监视器，监测回路的质量流量，监测对象为建模时创建的内部面。
 

本案例的所有外部面均设定为无滑移壁面，暂不求解能量方程，分析的问题表征的是回路的等温介质在整个回路发生海洋运动时的流动特性，当然如果没有海洋运动，回路的等温介质宏观上就是静止的，速度、流量均为零。
 

设置压力的离散格式为PRESTO!，对于封闭空间的自然循环问题，采用该格式可以更为准确地计算近壁面的速度矢量。

以零速度、零压力初始化流场（静止状态），瞬态求解，时间步长0.1s。

4 计算结果

首先，看一下回路的质量流量随时间变化的曲线，可以看出达到稳定状态时，回路的流量约在±15kg/s之间作正弦波动。

某个时刻的速度分布如下，可见静止的水在横摇运动下动起来了。

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