[发明专利]一种液态铅铋外掠螺旋管束速度温度边界层计算方法

权利要求书

1.一种液态铅铋外掠螺旋管束速度温度边界层计算方法，其特征在于：针对液态铅铋外掠螺旋管束流动，由流体动力学计算程序实现速度温度边界层计算；

该方法包括以下步骤：

步骤1：运用几何模型建立软件SOLIDWORKS，建立液态铅铋外掠螺旋管束计算域简化模型，得到液态铅铋外掠螺旋管束流体域几何模型，考虑到模型对称性，选择具有代表性的计算单元，将液态铅铋外掠螺旋管束计算域简化为周向1/12液态铅铋外掠螺旋管束圆柱套筒；

步骤2：运用网格划分软件ANSYS-ICEM，在步骤1中得到的液态铅铋外掠螺旋管束流体域几何模型的基础上，进行液态铅铋外掠螺旋管束流体域的网格划分，得到液态铅铋外掠螺旋管束流体域网格模型，液态铅铋外掠螺旋管束流体域网格模型包括边界层区域网格以及整体网格；

步骤3：在步骤2得到的液态铅铋外掠螺旋管束流体域网格模型内进行液态铅铋流动换热过程进行数值模拟计算，具体步骤如下：

步骤3-1：将液态铅铋外掠螺旋管束流体域网格模型上部表面边界设置为液态铅铋入口边界，并根据实际条件设置入口位置的液态铅铋速度，温度以及压力；

步骤3-2：将液态铅铋外掠螺旋管束流体域网格模型下部表面边界设置为液态铅铋出口边界，并根据实际条件设置出口位置的液态铅铋压力；

步骤3-3：将液态铅铋外掠螺旋管束流体域网格模型管束外表面边界设置为恒定壁温边界，模拟管束冷却液态铅铋过程，内外套筒壁面设置为绝热边界，内外套筒壁面与液态铅铋不进行热量交换；

步骤3-4：计算得到液态铅铋物性参数包括液态铅铋密度、液态铅铋合金动力粘度、液态铅铋合金比热容、液态铅铋合金动力热导率，液态铅铋密度计算式如下：

ρ_LBE＝11096-1.3236T (1)

T——液态铅铋温度，K

液态铅铋合金比热容计算式如下：

c_p,LBE＝159-2.72×10^-2T+7.12×10^-6T² (2)

液态铅铋合金动力粘度计算式如下：

液态铅铋合金动力热导率计算式如下：

λ_LBE＝3.61+1.517×10^-2T-1.741×10^-6T² (4)

步骤3-5：选择适用于液态铅铋流动换热模拟的湍流普朗特数模型，并将其加载至计算流体力学软件，对计算流体力学软件FLUENT中的湍流普朗特数模型进行修正，所选用的模型为：

Pr_t＝4.12 Pe≤1000 (6)

Pe——液态铅铋流动佩克莱数；

Pr_t——湍流普朗特数；

步骤3-6：求解液态铅铋的质量、动量、能量及组分输运方程，得到液态铅铋外掠螺旋管束计算域速度场与温度场；

步骤4：从步骤3中得到的液态铅铋外掠螺旋管束计算域速度场与温度场计算结果中，利用后处理软件TECPLOT，建立与螺旋管束重合的截面，提取液态铅铋外掠螺旋管束流体截面速度与温度场分布信息，计算液态铅铋外掠螺旋管束流体截面速度与温度梯度分布情况，求解速度梯度与温度梯度的方程为；

U,V,W——x,y,z方向分速度，m/s；

T——液态铅铋温度，K；

a——速度梯度，s^-1；

b——温度梯度，K/m；

步骤5：根据步骤3获得的液态铅铋外掠螺旋管束计算域速度场分布信息，液态铅铋外掠螺旋管束计算域速度梯度分布情况，确定速度边界层位置，提取速度边界层厚度，具体步骤如下：

步骤5-1：根据步骤3获得的液态铅铋外掠螺旋管束计算域速度场分布信息，确定速度边界层区域，提取速度边界层位置信息，判定依据为当液态铅铋局部流速小于主流流速的99％时，确定此区域为速度边界层区域：

U＝0.99U_∞ (10)

U_∞——液态铅铋主流速度，m/s；

步骤5-2：根据步骤4获得的液态铅铋外掠螺旋管束流体截面速度梯度分布情况，当液态铅铋速度梯度急剧减小时，确定此区域为速度边界层区域，并与步骤5-1所确定的速度边界层区域进行对比，对步骤5-1未覆盖的区域进行补充：

步骤5-3：提取步骤5-2中确定的速度边界层区域坐标，并计算得到速度边界层厚度，计算公式如下：

δ_v——速度边界层厚度，m；

x₁,y₁,z₁——速度边界层边界点1笛卡尔坐标；

x₂,y₂,z₂——速度边界层边界点2笛卡尔坐标；

步骤6：根据步骤3获得的液态铅铋外掠螺旋管束计算域温度场分布信息，液态铅铋外掠螺旋管束计算域温度梯度分布情况，确定温度边界层位置，提取温度边界层厚度，具体步骤如下：

步骤6-1：根据步骤3获得的液态铅铋外掠螺旋管束计算域温度场分布信息，确定温度边界层区域，提取温度边界层位置信息，判定依据为当液态铅铋温度与壁面温度的温差达到主流温度与壁面温度温差的99％以下时认为流体位于温度边界层中：

T-T_w＝0.99(T_∞-T_w) (12)

T_∞——液态铅铋主流温度，K；

T_w——冷却壁面温度，K；

步骤6-2：根据步骤4获得的液态铅铋外掠螺旋管束流体截面温度梯度分布情况，当液态铅铋温度梯度急剧减小时，确定此区域为温度边界层区域，并与步骤6-1所确定的温度边界层区域进行对比，对步骤6-1未覆盖的区域进行补充：

步骤6-3：提取步骤6-2中确定的温度边界层区域坐标，并计算得到温度边界层厚度，计算公式如下：

δ_t——温度边界层厚度，m；

x₃,y₃,z₃——温度边界层边界点1笛卡尔坐标；

x₄,y₄,z₄——温度边界层边界点2笛卡尔坐标。