Fluent海洋环境下自然循环流动的深入分析

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。

之前我们做了一个海洋条件下自然循环回路的流动特性分析案例，该案例尚未考虑温度影响，今天我们继续做一个完整的海洋条件下自然循环回路分析。

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，按如下模型设置水的密度，UDF代码如下

DEFINE_PROPERTY(rhowater,c,t){real rho0=998.2;real T0=293.15;real beta=0.0002;real temp=C_T(c,t);real rho;rho=rho0/(1+beta*(temp-T0));return rho;}

设置热源温度200℃，冷源温度30℃。

为了对比分析，我们先计算陆地条件下的自然循环回路，此时设置重力加速度为-Y方向，对于这种闭式自然循环回路计算，可先采用稳态方法计算，然后转为瞬态计算，通常情况下瞬态求解才能获得收敛解。可通过监测净功率来判断收敛情况，通过默认的残差标准可能无法达到收敛判定条件。本案例采用稳态计算也可以获得收敛解，只不过能量残差需要设置到1e-8。

对于海洋条件下的自然循环计算，可以用以上的陆地条件计算结果作为初始值，引入海洋条件运动参数（可点击文末“阅读原文”查看相应的内容）。创建几个监视器，分别监测回路的质量流量，监测对象为建模时创建的内部面；监测热源和冷源的功率值，达到收敛时，这两个值之和应接近于零。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。