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        汽液兩相二維壓力波傳播程序開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證

        2023-06-19 09:31:10龔政宇辜峙钘潘麒文張牧昊戴嘉寧
        核技術(shù) 2023年6期
        關(guān)鍵詞:液態(tài)水傳質(zhì)蒸汽

        龔政宇 辜峙钘,2 潘麒文 張牧昊 戴嘉寧

        1(成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059)

        2(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610213)

        壓力波傳播特性是反應(yīng)堆事故安全分析的關(guān)注點(diǎn)之一,反應(yīng)堆系統(tǒng)內(nèi)壓力波傳播將引發(fā)水力學(xué)載荷問(wèn)題,獲得壓力波的傳播數(shù)據(jù)是開(kāi)展結(jié)構(gòu)載荷分析、評(píng)價(jià)的必要條件[1]。核能系統(tǒng)反應(yīng)堆內(nèi)的壓力波傳播現(xiàn)象一般由瞬態(tài)事故引發(fā),例如,蒸汽輪機(jī)/主蒸汽管閥突開(kāi)、突閉,或諸如冷卻劑喪失(Loss Of Coolant Accident,LOCA),蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂(Steam Generator Tube Rupture accident,SGTR)[2]等事故。大部分壓力波傳播數(shù)值模擬采用可壓縮歐拉流體動(dòng)力學(xué)模型[3]。而對(duì)于兩相流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)條件下的壓力波傳播問(wèn)題,通常選用兩流體六方程模型,被系統(tǒng)分析程序廣泛使用,如RELAP5,TRACE,WAHA[4-5]。Sokolowski等[6]針對(duì)典型系統(tǒng)分析程序RELAP5 模擬壓力波傳播的能力開(kāi)展了分析與評(píng)價(jià),包括單相氣體介質(zhì)、單相蒸汽介質(zhì)及汽水兩相介質(zhì)條件下壓力波傳播問(wèn)題。Barna和Serre使用蒸汽冷凝引發(fā)的水錘效應(yīng)及壓力波傳播案例,對(duì)WAHA3 和CATHARE 程序也進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)[7-8]。另外,兩流體六方程模型一致采用平衡態(tài)壓力模型,即氣液兩相的動(dòng)量守恒方程共用同一壓力,針對(duì)該問(wèn)題,相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)始研發(fā)新一代反應(yīng)堆系統(tǒng)分析程序,如RELAP7,其核心便是雙壓力七方程模型。Delchini等[9]基于單相、兩相激波管基準(zhǔn)例題,分析、評(píng)價(jià)了RELAP7程序捕捉壓力波傳播行為的能力,結(jié)果表明:在壓力波傳播模擬方面,該程序的確優(yōu)于RELAP5程序。

        壓力波傳播行為通常存在多維特性,幾何結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,該特征越顯著,例如SGTR事故下壓力波在傳熱管束范圍內(nèi)的復(fù)雜傳播、反射及疊加行為,而前述系統(tǒng)分析程序通常屬于一維程序,無(wú)法處理壓力波的多維傳播問(wèn)題,因此開(kāi)展壓力波多維傳播模擬技術(shù)、方法研究具有重要意義。針對(duì)該問(wèn)題,本文就汽、水兩相流中存在的壓力波二維軸對(duì)稱(chēng)傳播行為,開(kāi)展了數(shù)值模型與算法研究,控制方程采用二維軸對(duì)稱(chēng)圓柱坐標(biāo)系,考慮了汽、水兩相非平衡態(tài)相變傳熱、傳質(zhì)行為,控制方程求解使用了時(shí)間步分離四步算法,開(kāi)發(fā)了程序代碼TPFPWPC-2D (Two Dimensional Two Phase Flow Pressure Wave Propagation Code)。采用典型汽、水兩相激波管基準(zhǔn)例題開(kāi)展了程序驗(yàn)證,同時(shí)為考查該程序模擬壓力波二維傳播特性的能力,對(duì)圓柱體空間內(nèi)壓力波的軸對(duì)稱(chēng)二維傳播特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析研究。

        1 模型和算法

        1.1 控制方程

        本文涉及的控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程,且全部控制方程均基于二維軸對(duì)稱(chēng)圓柱體坐標(biāo)系導(dǎo)出。

        1) 質(zhì)量守恒方程

        就質(zhì)量組分而言,考慮三種不同質(zhì)量組分,即液態(tài)水、水蒸氣、不可凝氣體,其質(zhì)量守恒方程如式(1)~(3)所示。其中:ΓC、ΓV為相變質(zhì)量源項(xiàng);αL為液態(tài)水體積份額;αG為蒸汽混合物(水蒸氣和不可凝氣體)體積份額;ρˉL、ρˉGh2o、ρˉGgas分別是液態(tài)水、水蒸氣、不可凝氣體宏觀密度;ρL、ρGh2o、ρGgas為相應(yīng)理論密度;uL、uG分別是液態(tài)水、蒸汽混合物徑向速度;νL、νG為相應(yīng)軸向速度??梢钥闯鏊魵夂筒豢赡Y(jié)性氣體共享同一速度場(chǎng)。

        2) 動(dòng)量守恒方程

        本文考慮了兩類(lèi)速度場(chǎng)組分,即液態(tài)水速度場(chǎng)和蒸汽混合物速度場(chǎng),其徑向動(dòng)量守恒方程由式(4)、(5)描述,軸向動(dòng)量守恒方程如式(6)、(7)所示。其中:p為網(wǎng)格壓強(qiáng);FDR,G,R、FDR,L,R表示氣、液兩相徑向曳力;FDR,G,Z、FDR,L,Z表示氣、液兩相軸向拽曳力;FVM,G,R、FVM,L,R為 氣、液 兩 相 徑 向 虛 擬 質(zhì) 量 力;FVM,G,Z、FVM,L,Z表示氣、液兩相軸向虛擬質(zhì)量力;ρˉG為蒸汽混合物宏觀密度,表示為ρˉG=ρˉGh2o+ρˉGgas。

        3) 能量守恒方程

        考慮兩種能量組分,即液態(tài)水、蒸汽混合物,其能量守恒方程如式(8)、(9)所示。其中:QΓ,G、QΓ,L為非平衡態(tài)相變傳熱;QG、QL為平衡態(tài)溫差傳熱;a為接觸面積;h為換熱系數(shù);ΔT為溫差。由于本文模擬對(duì)象涉及強(qiáng)傳熱、傳質(zhì),而且對(duì)流效應(yīng)也非常顯著,因此忽略了網(wǎng)格間熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn),也忽略了相間相互作用力做功的貢獻(xiàn)。

        1.2 數(shù)值算法

        本文模擬對(duì)象具有強(qiáng)傳熱、傳質(zhì),源項(xiàng)變化劇烈,壓力波傳播急劇等典型特征,同時(shí)其“速度-壓強(qiáng)”耦合尤為緊密,基于完全統(tǒng)一、全隱式求解算法對(duì)本模擬對(duì)象而言不太現(xiàn)實(shí),主要是收斂性難以保障。針對(duì)此問(wèn)題,本文采用了時(shí)間步分割四步算法技術(shù),以提高其數(shù)值計(jì)算收斂性與穩(wěn)定性。

        1) 第一步:網(wǎng)格內(nèi)源相計(jì)算

        首先,聯(lián)立迭代求解水蒸氣質(zhì)量守恒方程,液態(tài)水、蒸汽混合物能量守恒方程,僅考慮傳熱、傳質(zhì)源項(xiàng),其核心是基于汽、液兩相狀態(tài)方程(Equation Of State,EOS)的非平衡態(tài)傳熱、傳質(zhì)迭代計(jì)算,迭代收斂后,進(jìn)而更新各組分宏觀密度、比內(nèi)能、溫度及傳質(zhì)速率。然后,根據(jù)傳質(zhì)速率單獨(dú)求解各組分動(dòng)量守恒方程,僅考慮其相變?cè)错?xiàng),由于當(dāng)前“速度-壓強(qiáng)”并不匹配,因此相變?cè)错?xiàng)中速度采用顯式格式,最終更新速度場(chǎng)。上述求解過(guò)程整體邏輯框架體系如圖1所示,其中上標(biāo)1 表示第一步值,上標(biāo)n表示前時(shí)間步值。

        圖1 第一步:網(wǎng)格內(nèi)源項(xiàng)計(jì)算數(shù)值算法框架體系Fig.1 Step 1: numerical algorithm framework for cell-inside source term calculation

        2) 第二步:網(wǎng)格間對(duì)流計(jì)算

        首先,單獨(dú)求解全部質(zhì)量守恒方程,只考慮對(duì)流貢獻(xiàn),且采用顯式格式;然后,單獨(dú)求解全部能量守恒方程,只考慮對(duì)流貢獻(xiàn),且也采用顯式格式;最后,聯(lián)立迭代求解動(dòng)量守恒方程,僅忽略相變?cè)错?xiàng),其中壓力項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)均采用顯式格式,拽曳力、虛擬質(zhì)量力均采用隱式格式。由于在第2步中,“速度-壓強(qiáng)”依然不匹配,因此其對(duì)流項(xiàng)、壓強(qiáng)均采用顯式格式。上述求解過(guò)程整體邏輯框架體系如圖2 所示,其中上標(biāo)2 表示第二步值,上標(biāo)0 表示前時(shí)間步值。

        圖2 第二步:網(wǎng)格間對(duì)流計(jì)算數(shù)值算法框架體系Fig.2 Step 2: numerical algorithm framework for intercell convection calculation

        3) 第三步:壓力迭代

        首先,確定殘差方程,本文共考慮4個(gè),第1個(gè)是壓力殘差(EOS 壓力和網(wǎng)格壓力之差),第2、3 分別是液態(tài)水、蒸汽混合物質(zhì)量守恒方程殘差,其對(duì)流項(xiàng)采用半隱格式,第4 個(gè)是蒸汽混合物能量守恒方程殘差,其比內(nèi)能對(duì)流項(xiàng)采用顯式格式(與膨脹功相比,忽略對(duì)流效應(yīng)影響),空泡份額對(duì)流項(xiàng)采用半隱格式。然后,將上述守恒方程殘差對(duì)p、pe、pw、pn、ps、ρˉL、ρˉG、TG進(jìn)行泰勒展開(kāi),即可獲得迭代方程組。最后,充分利用狀態(tài)方程EOS 模型,迭代求解即可更新網(wǎng)格壓強(qiáng),進(jìn)而更新兩相速度、各組分宏觀密度、各組分比內(nèi)能等其他狀態(tài)參數(shù)。上述求解過(guò)程整體邏輯框架體系如圖3 所示,其中上標(biāo)3 表示第三步值。

        圖3 第三步:壓力迭代算法框架體系Fig.3 Step three: pressure iterative algorithm framework

        4) 第四步:時(shí)間步末更新

        重復(fù)第二步具體過(guò)程,但其網(wǎng)格壓強(qiáng)、對(duì)流項(xiàng)速度將采用第三步最新結(jié)果,最終更新宏觀密度、比內(nèi)能、速度,即。其具體算法框架與第二步極為相似,限于篇幅不再贅述,其中上標(biāo)n+ 1 表示當(dāng)前時(shí)間步值。

        1.3 輔助模型

        1) 兩相流流型模型

        兩相流流型決定了各相組分間的接觸方式,繼而影響交界面面積、曳力系數(shù)、傳熱系數(shù)及傳熱、傳質(zhì)計(jì)算。文中考慮三種不同流型,包括泡狀流、彌散流和過(guò)渡流,具體流型由蒸汽相體積份額判斷。當(dāng)αG≤0.3時(shí),視為純泡狀流,當(dāng)αG≥0.7時(shí),視為純彌散流,當(dāng)0.3 <αG<0.7 時(shí),視為過(guò)渡流。對(duì)于控制體網(wǎng)格而言,可統(tǒng)一視為由泡狀流區(qū)域、彌散流區(qū)域疊加構(gòu)成,并采用泡狀流區(qū)域、彌散流區(qū)域體積份額fB、fD進(jìn)行具體表征,其中fB、fD按式(10)計(jì)算,其中αB、αD分別是泡狀流、彌散流特征值,分別默認(rèn)取0.3、0.7。xB、xD為組分在泡狀流、彌散流區(qū)域內(nèi)的分配系數(shù),具體按式(11)計(jì)算。則泡狀流區(qū)域內(nèi)液態(tài)水(連續(xù)相)體積份額可表示為αL,B=αLxB,彌散流區(qū)域內(nèi)液態(tài)水(液滴)體積份額可表示為αL,D=αLxD。蒸汽混合物在泡狀流區(qū)域、彌散流區(qū)域內(nèi)的體積份額按式(12)、(13)計(jì)算。

        泡狀流區(qū)域內(nèi)水蒸氣(氣泡)體積份額為:

        彌散流區(qū)域內(nèi)水蒸氣(連續(xù)相)體積份額為:

        2) 相界面輸運(yùn)模型

        為捕捉在流動(dòng),傳熱、傳質(zhì)等過(guò)程中相界面演化行為,考慮了相界面輸運(yùn)方程,具體包括泡狀流區(qū)域內(nèi)蒸汽泡和彌散流區(qū)域內(nèi)液滴的相界面輸運(yùn)行為,其輸運(yùn)方程分別如下,其中:aG,B、aD,D分別是泡狀流區(qū)域內(nèi)氣泡相界面積、彌散流區(qū)域內(nèi)液滴相界面積。

        就本文模擬而言,泡狀流區(qū)域內(nèi)蒸汽泡相界面輸運(yùn)考慮了對(duì)流、膨脹/壓縮、成核及破裂行為;彌散流區(qū)域內(nèi)液滴僅考慮了對(duì)流效應(yīng)。其中,氣泡成核即式(14)中源項(xiàng)SG,B,N,具體模型參考了先進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)程序AFDM[10],具體采用平衡態(tài)模型,其平衡態(tài)參數(shù)aeG,B,N、時(shí)間常數(shù)τN及源項(xiàng)SG,B,N按式(16)計(jì)算。蒸汽泡破裂模型采用了韋伯破裂模型,也使用平衡態(tài)方法計(jì)算,其平衡態(tài)參數(shù)aeG,B,W、時(shí)間常數(shù)τW及源項(xiàng)SG,B,W按式(17)計(jì)算。

        3) 相間曳力模型

        在泡狀流區(qū)域,“液態(tài)水-水蒸氣”接觸方式為連續(xù)液體包裹氣泡,在彌散流區(qū)域,其接觸方式為連續(xù)蒸汽包裹液滴。因此,總體上“液態(tài)水-水蒸氣”接觸方式可按“連續(xù)相-彌散相”處理。下文以連續(xù)相對(duì)彌散項(xiàng)施加的徑向曳力進(jìn)行闡述,正如式(18)所示,其中:KDR,D,R為“連續(xù)相-彌散相”曳力系數(shù);aCD為交界面積;uC、uD分別表示連續(xù)相和彌散相徑向速度;μC為連續(xù)相動(dòng)力黏度;ρC為連續(xù)相密度;rD為彌散相半徑。系數(shù)CD參考Ishii發(fā)展的相關(guān)模型[11]。

        4) 虛擬質(zhì)量力模型

        在兩相流中,當(dāng)彌散相(如氣泡、液滴)相對(duì)連續(xù)相加速時(shí),將產(chǎn)生“虛擬質(zhì)量效應(yīng)”,由于本文需要模擬“汽-水”兩相流壓力波傳播,因此考慮了虛擬質(zhì)量力模型。具體參考了Fullmer和Bertodano報(bào)道的相關(guān)模型[12],系統(tǒng)分析程序RELAP5/MOD3.3 也使用了該模型。

        液態(tài)水所受虛擬質(zhì)量力為:

        式中:αL為液態(tài)水體積份額;ρL為液態(tài)水理論密度;αG為蒸汽混合物體積份額;注意到上述虛擬質(zhì)量力采用的是矢量形式,CVM為常數(shù),通常取0.5。

        蒸汽混合物虛擬質(zhì)量力為:

        5) 傳熱傳質(zhì)模型

        就本模擬而言,考慮了“汽-水”兩相傳熱、傳質(zhì)模型,尤其是交界面相變傳熱模型。

        a) 傳質(zhì)模型

        傳質(zhì)考慮的是交界面相變傳質(zhì),“液態(tài)水-水蒸氣”交界面凈傳熱速率可表示為:

        式中:aL,G表示“液態(tài)水-蒸汽混合物”交界面積;RL,Gh2o是“液態(tài)水-水蒸氣”接觸比例;hL為交界面之液態(tài)水側(cè)換熱系數(shù);hG為交界面之蒸汽混合物側(cè)換熱系數(shù);TLi,Gh2o為“液態(tài)水-水蒸氣”交界面溫度,取飽和溫度與平衡態(tài)傳熱交界面溫度之較大者。qiL,Gh2o>0表示交界面存在凈熱量傳出,則交界面發(fā)生了水蒸氣凝結(jié)現(xiàn)象,凝結(jié)速率按式(22)計(jì)算;qiL,Gh2o<0表示交界面存在凈熱量傳入,則交界面發(fā)生了液態(tài)水汽化現(xiàn)象,汽化速率按式(23)計(jì)算;qiL,Gh2o= 0 表示交界面處于傳熱平衡態(tài),無(wú)相變發(fā)生。

        b)傳熱模型

        就文中模擬對(duì)象而言,包括非平衡態(tài)相變傳熱和平衡態(tài)溫差傳熱。液態(tài)水、水蒸氣的非平衡態(tài)相變傳熱分別按式(24)、(25)計(jì)算。

        液態(tài)水、水蒸氣的平衡態(tài)溫差傳熱分別按式(26)、(27)計(jì)算。

        式中:RL,Ggas表示“液態(tài)水-不可凝氣體”接觸比例;TiL,Ggas表示“液態(tài)水-不可凝氣體”交界面溫度,取其平衡態(tài)溫度。

        6)狀態(tài)方程EOS模型

        狀態(tài)方程EOS 是封閉可壓縮兩相流守恒方程的必備條件,同時(shí)也是本文開(kāi)展傳熱、傳質(zhì)數(shù)值迭代,壓力迭代的重要保障。本文模擬涉及液態(tài)水、水蒸氣、不可凝氣體三種物質(zhì)組分的狀態(tài)方程。

        a)水蒸氣狀態(tài)方程

        水蒸氣狀態(tài)方程采用了MRK(Modified Redlich-Kwong)模型,下式給出了水蒸氣分壓與其溫度和比體積之間的關(guān)系。

        其中:x(TG)按式(29)計(jì)算;Th2o,crt為水臨界溫度。

        b)不可凝氣體狀態(tài)方程

        不可凝氣體采用理想氣體狀態(tài)方程模型。

        c)液態(tài)水狀態(tài)方程

        本文考慮液態(tài)水為可壓縮流體,式(30)給出了液態(tài)水溫度與其比內(nèi)能和壓強(qiáng)間的關(guān)系,其中:TS,L為液態(tài)水飽和溫度,采用液態(tài)水比內(nèi)能計(jì)算;?TL?p為液態(tài)水溫度對(duì)壓強(qiáng)偏導(dǎo)數(shù),也使用液態(tài)水比內(nèi)能計(jì)算。

        類(lèi)似地,式(31)給出了液態(tài)水比體積與其比內(nèi)能和壓強(qiáng)之間的關(guān)系,形式與式(30)類(lèi)似。

        2 程序驗(yàn)證

        為驗(yàn)證本文開(kāi)發(fā)的汽-水兩相二維軸對(duì)稱(chēng)壓力波傳播模擬程序TPFPWPC-2D,選用了典型的汽-水兩相激波管基準(zhǔn)例題,如圖4所示,雖然該激波管屬于一維問(wèn)題,但可以驗(yàn)證該程序的關(guān)鍵模型與算法。該激波管長(zhǎng)100 m,中心插入一隔板,將激波管劃分為兩個(gè)不同區(qū)域,左側(cè)為15 MPa的汽水混合物高壓區(qū),右側(cè)為10 MPa 的汽水混合物低壓區(qū),具體初始參數(shù)如圖4 所示。由于該程序具有二維軸對(duì)稱(chēng)特性,恰可建立上述激波管,具體在徑向劃分3 個(gè)網(wǎng)格,軸向劃分200 個(gè)網(wǎng)格,激波管幾何模型豎直放置,則需忽略重力與基準(zhǔn)例題保持一致。另外,建模時(shí)需要考慮到徑向均勻性,即壓力波僅沿軸向傳播。激波管上、下兩端采用絕對(duì)反射邊界條件。很明顯,汽-水兩相流激波管基準(zhǔn)例題并無(wú)解析解,因此采用了程序?qū)Ρ确绞竭M(jìn)行驗(yàn)證,具體選用了典型系統(tǒng)分析程序RELAP5 公開(kāi)發(fā)布的模擬結(jié)果作為對(duì)比基準(zhǔn)[6]。

        圖4 兩相激波管示意圖Fig.4 Schematic diagram of two-phase shock tube

        TPFPWPC-2D 程序在方程求解上采用了時(shí)間步分割四步算法,即人為將控制方程中傳熱、傳質(zhì)、相變所致動(dòng)量交換分離處置,這極可能造成時(shí)間步長(zhǎng)敏感性問(wèn)題,針對(duì)此問(wèn)題,首先開(kāi)展了時(shí)間步長(zhǎng)敏感性分析,共選用15 個(gè)時(shí)間步長(zhǎng),即5 000 μs、2 500 μs、1 000 μs、750 μs、500 μs、250 μs、100 μs、75 μs、50 μs、25 μs、10 μs、7.5 μs、5 μs、2.5 μs、1 μs,對(duì)此基波管進(jìn)行模擬。圖5給出了不同時(shí)間步長(zhǎng)下此激波管中心位置0.081 s時(shí)刻的壓強(qiáng)值,很明顯時(shí)間步長(zhǎng)在1~100 μs范圍內(nèi)具有良好的數(shù)值穩(wěn)定性。同時(shí),測(cè)試表明若時(shí)間步長(zhǎng)大于5 ms,計(jì)算則發(fā)散(庫(kù)朗限制)。

        圖5 汽水兩相激波管TPFPWPC-2D時(shí)間步長(zhǎng)敏感性分析Fig.5 Time-step sensitivity analysis of TPFPWPC-2D based on water-vapor two-phase shock tube

        根據(jù)上述時(shí)間步長(zhǎng)敏感性分析結(jié)果,最終選用了10-5s 作為該驗(yàn)證用時(shí)間步長(zhǎng),且上述文獻(xiàn)中RELAP5 也是采用了此步長(zhǎng)。圖6 分別給出了0.081 s 時(shí)刻壓力、汽水兩相溫度、速度、空泡體積份額的分布情況。從圖6(a)可知,隨著隔膜突然撤離,汽-水兩相高壓區(qū)內(nèi)形成沖擊波并傳入汽-水兩相低壓區(qū),致使低壓區(qū)內(nèi)壓力上升;相反汽-水兩相低壓區(qū)內(nèi)形成膨脹波并傳入汽-水兩相高壓區(qū),致使高壓區(qū)內(nèi)壓力急劇下降。從圖6(b)可知,汽-水兩相溫度分布與壓力分布具有一定相似性。從圖6(c)可知,激波管中心兩側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了汽-水兩相高速運(yùn)動(dòng),最大速度達(dá)到約48 m·s-1。從圖6(d)可知,由于汽-水兩相膨脹、汽化效應(yīng),高壓區(qū)偏中心區(qū)域空泡份額出現(xiàn)了急劇上升,可見(jiàn)明顯極大值點(diǎn);相反,由于汽-水兩相壓縮、凝結(jié)效應(yīng),低壓區(qū)偏中心位置空泡份額出現(xiàn)了急劇下降,可見(jiàn)明顯極小值點(diǎn)。從壓力、溫度、速度及空泡份額分布特性比較可以看出,TPFPWPC-2D程序與系統(tǒng)分析程序RELAP5模擬結(jié)果整體符合較好,但TPFPWPC-2D 與RELAP5 依然存在局部差異,很可能是由兩程序所考慮的模型精細(xì)度或個(gè)別模型差異造成的,也可能與數(shù)值算法有關(guān)系。

        圖6 兩相基波管壓力分布(a)、溫度分布(b)、速度分布(c)和空泡份額分布(d)Fig.6 Pressure profile (a), temperature profile (b), velocity profile (c) and void fraction profile (d) of the two-phase shock tube

        3 壓力波二維軸對(duì)稱(chēng)傳播特性研究

        為研究圓柱體區(qū)域內(nèi)汽-水兩相流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)條件下壓力波二維軸對(duì)稱(chēng)傳播特性,使用文中開(kāi)發(fā)的TPFPWPC-2D 程序開(kāi)展了數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬幾何模型如圖7 所示,建??紤]了徑向和軸向(即對(duì)稱(chēng)軸)兩方向,實(shí)際模擬的幾何區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)高1.0 m,半徑為1.0 m 的圓柱體。徑向0~0.2 m、軸向0.1~ 0.3 m 為高壓區(qū)域,其余為低壓區(qū)域,且初始時(shí)刻兩區(qū)域處于相互隔離狀態(tài),數(shù)值模擬開(kāi)始后,兩區(qū)域流體瞬間接觸。

        圖7 二維壓力波傳播實(shí)例示意圖Fig.7 Schematic of 2D pressure wave case

        首先,針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了網(wǎng)格敏感性分析,選用了20×20、40×40、50×50、60×60、70×70、80×80、90×90、100×100、110×110、120×120、130×130、140×140、150×150,共計(jì)13套不同網(wǎng)格方案,均考慮等間距劃分,并以8.0×10-4s時(shí)刻計(jì)算區(qū)域內(nèi)最大壓強(qiáng)值為觀測(cè)點(diǎn),對(duì)網(wǎng)格敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖8即為評(píng)價(jià)結(jié)果,很明顯,當(dāng)網(wǎng)格劃分方案大于100×100時(shí),數(shù)值模擬結(jié)果已具較好穩(wěn)定性,據(jù)此下文模擬選用了120×120 網(wǎng)格劃分方案,開(kāi)展壓力波二維傳播模擬與特性分析。

        圖8 二維壓力波傳播網(wǎng)格敏感性分析Fig.8 Mesh sensitivity analysis of 2D pressure wave propagation

        圖9 給出了壓力波的二維傳播過(guò)程,注意該圖已進(jìn)行對(duì)稱(chēng)性拓?fù)?。從?shù)值模擬結(jié)果可以看出,隨著兩個(gè)不同區(qū)域內(nèi)流體被解除隔離,來(lái)自高壓區(qū)域的流體向低壓區(qū)域射流,進(jìn)而產(chǎn)生了向外快速傳播的沖擊波(shock wave),致使外部低壓區(qū)域內(nèi)壓力劇增。同時(shí),來(lái)自低壓區(qū)域內(nèi)的膨脹波(rarefaction wave)也隨之產(chǎn)生,并傳播進(jìn)入高壓區(qū)域,致使其內(nèi)部壓力降低。隨著時(shí)間推移,壓力波不斷向邊界傳播,約0.4 ms 后,壓力波已抵達(dá)底部邊界,被邊界壁面完全反射,進(jìn)而產(chǎn)生反向沖擊波,反向沖擊波與迎面沖擊波隨即相遇,繼而出現(xiàn)了疊加效應(yīng),致使下邊界附近出現(xiàn)了局部高壓區(qū)。在下一個(gè)階段,隨著壓力波不斷向外擴(kuò)散,沖擊波逐漸減弱。

        圖9 二維壓力波傳播實(shí)例數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9 The simulation results of 2D pressure wave propagation case

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文基于汽-水兩相歐拉流體動(dòng)力學(xué)理論,開(kāi)發(fā)了一種基于二維軸對(duì)稱(chēng)圓柱坐標(biāo)系的壓力波傳播模擬二維程序TPFPWPC-2D,考慮了汽-水兩相非平衡態(tài)相變傳熱、傳質(zhì),偏微分方程求解使用了時(shí)間步分離四步算法。并采用了典型的汽水兩相激波管基準(zhǔn)例題開(kāi)展了程序的驗(yàn)證工作及時(shí)間步長(zhǎng)敏感性分析,數(shù)值模擬結(jié)果與典型的系統(tǒng)分析程序RELAP5進(jìn)行了對(duì)比。最后為考查該程序模擬壓力波二維傳播的能力,對(duì)圓柱體空間區(qū)域內(nèi)的壓力波傳播行為進(jìn)行了二維軸對(duì)稱(chēng)數(shù)值模擬,同時(shí)還開(kāi)展了網(wǎng)格敏感性分析。本文研究得到的結(jié)論如下:

        1)針對(duì)汽-水兩相激波管基準(zhǔn)例題,TPFPWPC-2D 程序計(jì)算獲得的壓力、溫度、速度及空泡份額分布數(shù)據(jù)與典型的系統(tǒng)分析程序RELAP5 符合較好,程序總體上可以很好地模擬強(qiáng)傳熱傳質(zhì)兩相條件下壓力波傳播行為,進(jìn)而從整體上驗(yàn)證了該程序的結(jié)構(gòu)模型及數(shù)值算法的正確性。同時(shí),從時(shí)間步長(zhǎng)敏感性分析結(jié)果得知,本文采用的時(shí)間分割四步算法具有較為顯著的時(shí)間步長(zhǎng)敏感性。

        2)針對(duì)圓柱體空間內(nèi)壓力波二維軸對(duì)稱(chēng)傳播算例,采用TPFPWPC-2D 程序開(kāi)展了數(shù)值模擬,獲得壓力波在圓柱體內(nèi)的二維軸對(duì)稱(chēng)傳播特性,尤其是捕捉到了壓力波在二維傳播過(guò)程中反射、疊加行為,進(jìn)而從一定層面上確認(rèn)了該程序模擬壓力波二維傳播問(wèn)題的能力。

        作者貢獻(xiàn)聲明龔政宇實(shí)施研究,分析/解釋數(shù)據(jù),起草撰寫(xiě)文章;辜峙钘提供研究思路,指導(dǎo)論文寫(xiě)作與修改,提供研究經(jīng)費(fèi)支持;潘麒文負(fù)責(zé)材料支持,提供相關(guān)文獻(xiàn);張牧昊負(fù)責(zé)文章內(nèi)容的審閱指導(dǎo);戴嘉寧參與文獻(xiàn)收集整理工作,數(shù)據(jù)整理。

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