摘要：利用CFD軟件FLUENT對高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路中的電磁流量計(jì)三維溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,結(jié)果表明:若無冷卻措施,電磁流量計(jì)的局部溫度會超過200C;冷卻方案下，電磁流量計(jì)的整體溫度可有效控制在1009C以下,確保了高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路中電磁流量計(jì)的可靠性。
在未來深空探測領(lǐng)域中,液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆可用于提供動力支持,目前各國正在廣泛開展這方面的研究"。但在反應(yīng)堆應(yīng)用之前需要在地面建立系統(tǒng)級或部件級試驗(yàn)對它進(jìn)行可行性驗(yàn)證，為此研究人員設(shè)計(jì)了一套高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路2],回路中設(shè)有電磁流量計(jì)來測量液態(tài)金屬NaK的流量。然而,現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的電磁流量計(jì)中的某些部件無法長期耐受100C以上的高溫，為了確保高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路長周期運(yùn)行期間電.磁流量計(jì)的性能不受高溫環(huán)境的影響,需要對流量計(jì)進(jìn)行冷卻處理。為此,設(shè)計(jì)人員在高溫管道與流量計(jì)之間設(shè)計(jì)了隔熱材料和冷卻盤管,筆者利用數(shù)值模擬技術(shù)對電磁流量計(jì)進(jìn)行三維熱工計(jì)算,以評價(jià)其運(yùn)行可靠性。
1計(jì)算模型
1.1幾何模型
高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路如圖1所示2,該回路位于一個(gè)大的真空室內(nèi)，電磁流量計(jì)(圖2)安裝在電磁泵和電加熱線圈之間的管路上,主要由永磁體、銅導(dǎo)體、隔熱材料及冷卻盤管等組成。該試驗(yàn)回路中，液態(tài)金屬NaK的最高試驗(yàn)溫度可達(dá)500℃。
1.2網(wǎng)格劃分
利用GAMBIT軟件采取結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方式對電磁流量計(jì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖3),保證在提高網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)最大限度地降低網(wǎng)格數(shù)目,網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后最終使用的網(wǎng)格數(shù)目約100萬
1.3計(jì)算方法
通過數(shù)值模擬方法3]可以顯示并分析流動和傳熱現(xiàn)象，并可以得到相應(yīng)過程的最佳設(shè)計(jì)參數(shù),為試驗(yàn)提供指導(dǎo),節(jié)省了以往試驗(yàn)所需的人力、物力和時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的日趨成熟,出現(xiàn)了基于現(xiàn)有流動理論的商用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)軟件,為解決實(shí)際工程問題(如特殊儀器儀表仿真模擬等)提供了新方法4-101
電磁流量計(jì)部件涉及冷卻水流動與換熱、固體域熱傳導(dǎo)等控制方程,冷卻水可視為不可壓縮湍流流動，采用標(biāo)準(zhǔn)k-8模型標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法，得到冷卻水流動換熱基本控制方程分別如下:
式中Cp--比熱容;
?exit一動量守恒方程的廣義源項(xiàng);
h一顯焓;
p一流體微元體.上的壓力;
q一體積熱源;
St一能量源項(xiàng);
T一溫度;
t一時(shí)間變量;
u一流體速度;
ρ一密度;
λ一導(dǎo)熱系數(shù);
μ一流體黏度;
下角
i、j、k--1、2、3,代表笛卡爾坐標(biāo)系下的3個(gè)方向。
方程(1)~(4)可使用FLUENT軟件在三維網(wǎng)格空間中進(jìn)行離散求解。
邊界條件主要有熱邊界和冷卻邊界兩種。其中熱邊界為液態(tài)金屬溫度,設(shè)定為試驗(yàn)時(shí)的最高溫度500℃(773.15K)，外圍正對真空室內(nèi)壁的表面設(shè)定為70℃;冷卻邊界主要有冷卻管道內(nèi)冷卻介質(zhì)的人口溫度(設(shè)定為30℃/303.15K)和入口流速或流量(約3m/s或0.0375kg/s)。
2計(jì)算結(jié)果分析
2.1盤管內(nèi)無冷卻時(shí)
盤管內(nèi)無冷卻時(shí)電磁流量計(jì)關(guān)鍵部位的溫度剖面云圖如圖4所示，軸向低、中、高3個(gè)位置上的溫度剖面云圖如圖5所示�？梢钥闯�,靠近高溫液態(tài)金屬管路外壁一側(cè)的最高溫度在200℃左右，故僅靠隔熱層是無法滿足電磁流量計(jì)環(huán)境溫度低于100℃的要求的。
2.2盤管有冷卻時(shí)
盤管有冷卻時(shí)電磁流量計(jì)溫度云圖如圖6所示其中最高溫度為設(shè)定的液態(tài)金屬溫度773.15K。電磁流量計(jì)關(guān)鍵部位的三維溫度場如圖7所示。可以看出,有了盤管內(nèi)的冷卻水,借助.銅導(dǎo)體良好的熱導(dǎo)率，可以把電磁流量計(jì)的最高溫度維持在80℃左右，滿足低于100℃的設(shè)計(jì)要求。
3結(jié)束語
以電磁流量計(jì)為研究對象,采取符合實(shí)際的邊界條件,通過數(shù)值模擬方法得到了電磁流量計(jì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的溫度場,關(guān)鍵部位的最高溫度在80℃左右，高溫液態(tài)金屬試驗(yàn)回路長周期運(yùn)行期間電磁流量計(jì)的性能不受高溫環(huán)境的影響,保證了運(yùn)行的可靠。
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