本發(fā)明屬于熱工水力，具體涉及一種基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法。

背景技術(shù)：

1、蒸汽射流冷凝具有高效的混合與換熱能力，在化工、電力與核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)核電廠的蒸汽射流冷凝是保證反應(yīng)堆壓力安全的關(guān)鍵技術(shù)，利用射流管或鼓泡器的高速射流，將事故產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽噴入過(guò)冷水中直接冷凝，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速卸壓。然而，蒸汽射流冷凝運(yùn)行后期發(fā)生的喘振現(xiàn)象，極易引發(fā)設(shè)備共振，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須應(yīng)對(duì)的工程問(wèn)題。因此明確喘振冷凝的壓力振蕩區(qū)域分布特性，成為卸壓冷凝設(shè)備設(shè)計(jì)與研制過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程師針對(duì)喘振冷凝開展了大量研究實(shí)證，但對(duì)壓力振蕩的研究仍停留在觀測(cè)和假說(shuō)層面，已有的理論體系和技術(shù)成果鮮有直接應(yīng)用于工程項(xiàng)目的案例。考慮到工程原型實(shí)驗(yàn)條件的限制，采用數(shù)值計(jì)算的方法，模擬蒸汽喘振冷凝的熱質(zhì)傳輸過(guò)程，進(jìn)而預(yù)測(cè)蒸汽冷凝行為，并揭示喘振的壓力振蕩機(jī)理，具有更高的工程應(yīng)用價(jià)值。然而，在針對(duì)蒸汽喘振冷凝壓力振蕩特性預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬工作中，依然面臨著一系列挑戰(zhàn)。其中包括：(1)缺少一種健壯的數(shù)值方法，用于解決伴有界面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)非線性相變傳熱問(wèn)題；(2)界面的相變傳熱計(jì)算需定義氣液兩側(cè)的傳熱系數(shù)，目前缺少有效定義氣側(cè)傳熱系數(shù)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)目前蒸汽射流冷凝的數(shù)值模擬方法中存在的不足，本發(fā)明提出了一種基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非線性相變熱傳遞過(guò)程的瞬態(tài)求解，并且準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了喘振冷凝工況的蒸汽冷凝行為和壓力振蕩特性，對(duì)射流管、鼓泡器等卸壓冷凝設(shè)備的精細(xì)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，包括如下步驟：

4、步驟1，根據(jù)蒸汽射流冷凝系統(tǒng)的真實(shí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建過(guò)熱蒸汽通過(guò)射流管與過(guò)冷水發(fā)生喘振冷凝的物理模型，對(duì)流體計(jì)算域劃分網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)物理空間離散化；

5、步驟2，以過(guò)熱蒸汽的質(zhì)量流量和上游溫度作為所述流體計(jì)算域的入口邊界條件，以水池表面的環(huán)境壓力作為出口邊界條件；

6、步驟3，采用k-ε模型描述控制方程的湍流效應(yīng)，基于歐拉-歐拉雙流體模型(歐拉歐拉雙流體模型是針對(duì)所述流體計(jì)算域建立的描述流動(dòng)傳熱關(guān)系的控制方程)為氣相和液相建立質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，根據(jù)邊界條件、初始條件或上一步迭代計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)，求解當(dāng)前流場(chǎng)的瞬態(tài)物理量分布；

7、步驟4，采用分階段源項(xiàng)重構(gòu)的方法，將非線性相變傳熱過(guò)程分解為無(wú)相變傳熱和有相變傳熱兩個(gè)階段，根據(jù)各階段的數(shù)值計(jì)算需求設(shè)計(jì)不同的傳熱系數(shù)定義方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型重構(gòu)，并根據(jù)步驟3獲得的物理量計(jì)算能量方程源項(xiàng)；

8、步驟5，在連續(xù)方程的蒸汽冷凝率源項(xiàng)中添加溫度輔助模型，并根據(jù)步驟3獲得的物理量計(jì)算連續(xù)方程源項(xiàng)；

9、步驟6，對(duì)源項(xiàng)顯式松弛，并更新控制方程源項(xiàng)；

10、步驟7，根據(jù)時(shí)間步變化更新迭代步數(shù)；

11、步驟8，迭代計(jì)算步驟3至步驟7構(gòu)成的數(shù)值模型，穩(wěn)定收斂后記錄流場(chǎng)信息，獲取不同時(shí)間步下測(cè)點(diǎn)的壓力振蕩特性及流場(chǎng)全局的物理量分布，最終明確蒸汽射流喘振冷凝過(guò)程中，射流管內(nèi)外的蒸汽冷凝行為及溫度和壓力的瞬態(tài)變化過(guò)程。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

13、1)基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)的思想，將伴隨界面運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜非線性相變傳熱問(wèn)題分段建模，并針對(duì)數(shù)值計(jì)算的精度和穩(wěn)定性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了更嚴(yán)密的傳熱系數(shù)定義方法；引入了隨迭代步數(shù)調(diào)整的顯式松弛數(shù)值技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了蒸汽喘振冷凝過(guò)程的高保真瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算。

14、2)有效預(yù)測(cè)了蒸汽喘振冷凝過(guò)程的蒸汽冷凝行為、壓力振蕩特性及其變化規(guī)律，明確了喘振壓力振蕩機(jī)理；計(jì)算結(jié)果可以指導(dǎo)射流管和蓄水箱等射流冷凝設(shè)備的精細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)工程實(shí)際操作和裝置維護(hù)具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.一種基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述步驟1，通過(guò)比較特定時(shí)間范圍內(nèi)不同網(wǎng)格計(jì)算的瞬態(tài)壓力振蕩結(jié)果，驗(yàn)證平均喘振頻率解和平均喘振壓力峰值解的網(wǎng)格獨(dú)立性，如果平均喘振頻率和平均喘振壓力峰值都是網(wǎng)格獨(dú)立的解，則采用滿足該要求的最小網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格開展計(jì)算，否則繼續(xù)加密網(wǎng)格。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述步驟2，將蒸汽射流冷凝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的真實(shí)水池溫度作為數(shù)值計(jì)算的液相溫度，施加到出口邊界條件和流場(chǎng)信息的初始化設(shè)置中。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述步驟3，以相間熱量傳遞速率和傳質(zhì)速率為描述非線性相變熱傳遞過(guò)程的源項(xiàng)，相間熱量傳遞速率由傳熱模型計(jì)算獲取，相間傳質(zhì)速率由熱相變蒸汽冷凝率模型計(jì)算獲取，傳熱模型和熱相變蒸汽冷凝率模型依次定義如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述液側(cè)傳熱系數(shù)hwi由公式直接給出，或通過(guò)nusselt關(guān)聯(lián)式計(jì)算如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述步驟4，分階段源項(xiàng)重構(gòu)方法借助ansys?fluent軟件中的udf完成，將過(guò)熱蒸汽與過(guò)冷水之間的熱傳遞過(guò)程分解為無(wú)相變傳熱和有相變傳熱兩個(gè)階段。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述步驟4，在無(wú)相變傳熱階段，氣側(cè)傳熱系數(shù)hgi基于熱量守恒，由飽和溫度和液側(cè)傳熱系數(shù)hwi給出：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述步驟5，溫度輔助模型表示如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述連續(xù)方程的蒸汽冷凝率源項(xiàng)取溫度輔助模型和熱相變蒸汽冷凝率模型的最小值，確保以氣化為傳質(zhì)正向的冷凝過(guò)程不出現(xiàn)大量過(guò)冷氣體。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法，其特征在于，所述步驟6，采用隨迭代步數(shù)變化的松弛因子對(duì)控制方程源項(xiàng)進(jìn)行顯式松弛，松弛方式定義如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)模擬蒸汽射流喘振冷凝熱質(zhì)傳輸過(guò)程的方法。基于分階段源項(xiàng)重構(gòu)的思想，對(duì)雙流體控制方程中的相變傳熱能量源項(xiàng)進(jìn)行分段式重構(gòu)，并設(shè)計(jì)了不同階段的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定義方法，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜非線性相變熱傳遞過(guò)程的瞬態(tài)求解。本發(fā)明綜合考慮了蒸汽射流冷凝系統(tǒng)低質(zhì)量流量工況下多種運(yùn)行條件的氣液兩相非穩(wěn)態(tài)熱質(zhì)傳輸過(guò)程，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)蒸汽的喘振冷凝行為和壓力振蕩特性，對(duì)射流管、鼓泡器等卸壓冷凝設(shè)備的精細(xì)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

技術(shù)研發(fā)人員：何雅玲,張東升,丁浩乘,黃鏡宇,李冬,武心壯,夏栓
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15