环腔内石蜡熔化过程的数值模拟研究

摘要

核能作为重要的清洁能源，在雾霾严重的今天，具有巨大的优势和利益。核能安全在核能发展过程中一直是重中之重，因此对于反应堆安全的分析也是重点关注的研究项目。反应堆严重事故属于超设计基准事故，堆芯的损坏是步入严重事故的重要节点。秉承着探究堆芯燃料棒在反应堆严重事故中熔化过程的目的，本文进行了石蜡熔化的数值模拟研究。
　　本文中数值计算对象采用石蜡作为工质，采用的方法是属于固定网格的焓-多孔介质法。该方法全场求解统一方程，有效避免了显示界面跟踪手段的缺点，无需在计算中重新绘制网格。利用内嵌于ANSYS FLUENT中的melting/solidification模型对环腔内中心加热条件下石蜡的熔化过程进行了的详细的数值模拟。计算时将圆柱计算域简化为中心对称的二维计算域，网格采用结构化网格。通过网格独立性检验，确定采用15500数量网格。计算域的中心轴采用中心对称边界，上部边界为绝热，外围边界与底部边界为恒温条件，初始温度为50℃，低于石蜡的熔点，保证初始是全场为固体。在数值模拟过程中发现厚度为0.5cm的容器的热阻对于熔化过程热量传递影响很大，不容忽视;同时，考虑加热棒处的材料升温过程，采用体热流密度的设置较面热流更加合理。
　　基于实验参数，与不同功率的三组实验进行了验证，符合较好。通过上述研究发现，逐步扩大计算域，可以使得数值模拟结果更加接近实验值。熔化过程中的自然循环过程及熔化界面的变化都能被很好的预测。对于模型中唯一可变的参数糊状区常数，其大小对于熔化进程模拟有显著影响，通过与实验值对比，在本文研究的参数条件下推荐糊状区常数为106。并探究了相变材料导热系数和水浴温度对熔化过程的影响。导热系数越高，促进温度的均匀分布使得最高温度降低，加速相变过程;定性的分析水浴温度越高，热损失越小，熔化过程越快。通过VOF模型模拟石蜡与空气的界面，使得数值模拟可以描述石蜡熔化过程中体积膨胀。考虑VOF模型的温度计算值随时间变化趋势相比不考虑VOF更接近实验值;对于固液界面发展的描述，两种方法获得的结果与实验相比均存在差别。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究成果及现状

1．2．1 关于反应堆熔化的实验

1．2．2 关于反应堆熔化的模拟

1．2．3 相变蓄热材料相变的研究

1．3 本文主要研究内容

第二章 熔化相变数值模型研究

2．1 熔化相变模拟方法

2．1．1 格子玻尔兹曼方法

2．1．2 标记网格法

2．1．3 动网格法

2．1．4 扩展有限元法

2．2 本文采用方法

2．2．1 焓-多孔介质法模型

2．2．2 焓-多孔介质法求解

2．3 焓-多孔介质法的可靠性验证

2．3．1 实验介绍

2．3．2 结果对比

2．4 本章小结

第三章 实验系统与实验结果

3．1 实验熔化相变材料

3．1．1 石蜡DSC测试

3．1．2 密度及其余物性

3．2 实验系统

3．3 实验对象温度测点布置

3．4 实验结果分析

3．4．1 温度的变化规律

3．4．2 不同功率的影响

3．5 本章小结

第四章 熔化过程数值模拟

4．1 计算对象

4．1．1 网格建立

4．1．2 初始条件和边界

4．1．3 网格独立性检验

4．2 数值模拟的敏感性讨论

4．2．1 壁面的影响

4．2．2 热流设置的影响

4．2．3 模型中糊状区C值的影响

4．2．4 数值模拟方法总结及结果

4．3 竖直圆柱内熔化相变数值模拟

4．3．1 功率的影响

4．3．2 导热系数的影响

4．3．3 水浴温度的影响

4．4 考虑石蜡体积变化过程的模拟方法

4．4．1 VOF模型介绍

4．4．2 计算域及边界

4．4．3 结果对比

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 本文结论

5．2 未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果