[发明专利]一种针对两种流体传热交混破碎相变过程的无网格模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是多相流传热相变模拟方法，具体地说是一种针对两种流体传热交混破碎相变过程的无网格模拟方法。

背景技术

金属燃料堆芯破损事故及其导致的熔融金属材料与冷却剂接触的相互作用FCI(Fuel-Coolant Interaction)，是国际上金属燃料钠冷快堆堆芯安全研究面临的一个重点和难点问题。在FCI过程中，两种或两种以上的热熔融物质与冷却剂液态钠之间的巨大温差，强化了冷热流体间的多相传热传质，使得流体接触界面发生剧烈相变，并伴随能量的瞬间释放，以及熔融物质的变形、破碎和凝固相变等，使得FCI过程极为复杂。

目前国内关于金属燃料与冷却剂钠相互作用的模拟程序比较缺乏，而国外的模拟程序主要关注FCI过程中，温度变化以及产生的压力脉冲,对于熔融金属材料的凝固破碎尺寸并没有太多的模拟研究。传统网格面对此类存在自由界面的流体传热交混破碎相变问题时会出现网格大变形以及数值扩散等问题，而无网格方法可以很好的解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现两种流体传热交混破碎相变过程，尤其针对两相流动、凝固传热以及流固混合等复杂问题的模拟的针对两种流体传热交混破碎相变过程的无网格模拟方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一，设定时间步长Δt、粒子间初始距离d₀、粒子的控制半径R_e以及总的模拟时间t_total，设定t_n＝n·Δt，则在t₀时刻输入初始化参数，包括熔融金属流体的初始温度T_h、速度V₀、形态，冷却流体的初始温度T_c；

步骤二，在t_n时刻采用基于焓方法的凝固相变模型进行传热计算，n＞0，根据t_n-1时刻的粒子温度T^n-1、焓值h^n-1、位置r^n-1、密度ρ^n-1以及热导率K^n-1，计算得到t_n时刻粒子的温度Tⁿ、焓值hⁿ以及液相分数αⁿ；

步骤三，采用物性参数变化模型对处于相变区域粒子的物性参数进行修正，根据粒子的液相分数αⁿ，更新得到t_n时刻粒子的密度ρⁿ、热导率Kⁿ以及粘性系数vⁿ；

步骤四，采用基于表面自由能的表面张力模型计算t_n时刻粒子所受的表面张力

步骤五，根据步骤三和步骤四所得的粒子物性参数ρⁿ、vⁿ和表面张力采用原始MPS方法计算出t_n时刻所有粒子的位置rⁿ和速度uⁿ，分为以下几个小步骤：

1，不考虑压力梯度项，显式求解动量方程中的粘性项、表面张力项以及重力项，计算得出t_n时刻粒子的中间速度u^*和中间位置r^*；

2，计算压力泊松方程，得出t_n时刻粒子的压力值Pⁿ；

3，利用粒子的压力值Pⁿ，对粒子速度进行修正，得到t_n时刻粒子的速度uⁿ和位置rⁿ；

步骤六，根据步骤五中计算所得粒子位置rⁿ，采用碎片结合判据确定破碎相变产生碎片的粒子组成；包括液相分数判据和粒子间距离判据，只有两个判据同时满足，才能判定两个粒子结合成碎片；液相分数判据为，两个熔融金属粒子的液相分数均需满足α₁＜α＜α₂，其中α₁、α₂是两个可变参数且0≤α₁＜α₂≤1，根据具体模拟情况进行调整；粒子间距离判据为，两个熔融金属粒子之间的距离需小于1.2l₀；

步骤七，采用流固混合模型(PMS方法)修正t_n时刻碎片中组成粒子的位置rⁿ和速度uⁿ，分为以下几个步骤：