高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路中電磁流量計(jì)的三維熱工數(shù)值模擬計(jì)算

鄒佳訊 郭春秋 畢可明

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院）

在未來(lái)深空探測(cè)領(lǐng)域中，液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆可用于提供動(dòng)力支持，目前各國(guó)正在廣泛開(kāi)展這方面的研究［1］。 但在反應(yīng)堆應(yīng)用之前需要在地面建立系統(tǒng)級(jí)或部件級(jí)試驗(yàn)對(duì)它進(jìn)行可行性驗(yàn)證，為此研究人員設(shè)計(jì)了一套高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路［2］，回路中設(shè)有電磁流量計(jì)來(lái)測(cè)量液態(tài)金屬NaK的流量。然而，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)中的某些部件無(wú)法長(zhǎng)期耐受100℃以上的高溫， 為了確保高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路長(zhǎng)周期運(yùn)行期間電磁流量計(jì)的性能不受高溫環(huán)境的影響，需要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行冷卻處理。 為此，設(shè)計(jì)人員在高溫管道與流量計(jì)之間設(shè)計(jì)了隔熱材料和冷卻盤管，筆者利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行三維熱工計(jì)算，以評(píng)價(jià)其運(yùn)行可靠性。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路如圖1所示［2］，該回路位于一個(gè)大的真空室內(nèi)，電磁流量計(jì)（圖2）安裝在電磁泵和電加熱線圈之間的管路上，主要由永磁體、銅導(dǎo)體、隔熱材料及冷卻盤管等組成。 該試驗(yàn)回路中， 液態(tài)金屬NaK的最高試驗(yàn)溫度可達(dá)500℃。

圖1 高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路

圖2 電磁流量計(jì)模型

1.2 網(wǎng)格劃分

利用GAMBIT軟件采取結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方式對(duì)電磁流量計(jì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分 （圖3），保證在提高網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)最大限度地降低網(wǎng)格數(shù)目，網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后最終使用的網(wǎng)格數(shù)目約100萬(wàn)。

圖3 電磁流量計(jì)網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算方法

通過(guò)數(shù)值模擬方法［3］可以顯示并分析流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象， 并可以得到相應(yīng)過(guò)程的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，為試驗(yàn)提供指導(dǎo)，節(jié)省了以往試驗(yàn)所需的人力、物力和時(shí)間。 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了基于現(xiàn)有流動(dòng)理論的商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件，為解決實(shí)際工程問(wèn)題 （如特殊儀器儀表仿真模擬等）提供了新方法［4～10］。

電磁流量計(jì)部件涉及冷卻水流動(dòng)與換熱、固體域熱傳導(dǎo)等控制方程，冷卻水可視為不可壓縮湍流流動(dòng)， 采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法，得到冷卻水流動(dòng)換熱基本控制方程分別如下：

式中 Cp——比熱容；

fexit——?jiǎng)恿渴睾惴匠痰膹V義源項(xiàng)；

h——顯焓；

p——流體微元體上的壓力；

q——體積熱源；

St——能量源項(xiàng)；

T——溫度；

t——時(shí)間變量；

u——流體速度；

ρ——密度；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

μ——流體黏度；下角

i、j、k——1、2、3，代表笛卡爾坐標(biāo)系下的3個(gè)方向。

方程（1）～（4）可使用FLUENT軟件在三維網(wǎng)格空間中進(jìn)行離散求解。

邊界條件主要有熱邊界和冷卻邊界兩種。 其中熱邊界為液態(tài)金屬溫度，設(shè)定為試驗(yàn)時(shí)的最高溫度500℃（773.15K）， 外圍正對(duì)真空室內(nèi)壁的表面設(shè)定為70℃； 冷卻邊界主要有冷卻管道內(nèi)冷卻介質(zhì)的入口溫度（設(shè)定為30℃/303.15K）和入口流速或流量（約3m/s或0.037 5kg/s）。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 盤管內(nèi)無(wú)冷卻時(shí)

盤管內(nèi)無(wú)冷卻時(shí)電磁流量計(jì)關(guān)鍵部位的溫度剖面云圖如圖4所示，軸向低、中、高3個(gè)位置上的溫度剖面云圖如圖5所示。 可以看出，靠近高溫液態(tài)金屬管路外壁一側(cè)的最高溫度在200℃左右，故僅靠隔熱層是無(wú)法滿足電磁流量計(jì)環(huán)境溫度低于100℃的要求的。

圖4 盤管內(nèi)無(wú)冷卻時(shí)電磁流量計(jì)關(guān)鍵部位的溫度剖面云圖

圖5 電磁流量計(jì)關(guān)鍵部位軸向低、中、高3個(gè)位置的溫度剖面云圖

2.2 盤管有冷卻時(shí)

盤管有冷卻時(shí)電磁流量計(jì)溫度云圖如圖6所示， 其中最高溫度為設(shè)定的液態(tài)金屬溫度773.15K。 電磁流量計(jì)關(guān)鍵部位的三維溫度場(chǎng)如圖7所示。 可以看出，有了盤管內(nèi)的冷卻水，借助銅導(dǎo)體良好的熱導(dǎo)率，可以把電磁流量計(jì)的最高溫度維持在80℃左右， 滿足低于100℃的設(shè)計(jì)要求。

圖6 盤管有冷卻時(shí)電磁流量計(jì)溫度云圖

圖7 電磁流量計(jì)關(guān)鍵部位的三維溫度場(chǎng)

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者以電磁流量計(jì)為研究對(duì)象，采取符合實(shí)際的邊界條件，通過(guò)數(shù)值模擬方法得到了電磁流量計(jì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，關(guān)鍵部位的最高溫度在80℃左右， 確保了高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路長(zhǎng)周期運(yùn)行期間電磁流量計(jì)的性能不受高溫環(huán)境的影響，保證了運(yùn)行的可靠性。