摘要(yào)：利用cfd軟件fluent對高(gāo)溫液(yè)态金屬試(shì)驗回(huí)路(lù)中(zhōng)的電磁流量(liàng)計
三維(wéi)溫度(dù)場(chǎng)進行了(le)數值(zhí)模(mó)拟計算(suàn),結果表明:若無冷卻措施(shī),電磁(cí)流量計(jì)的局部(bù)溫度會超過200c;冷(lěng)卻方(fāng)案(àn)下(xià)，電磁(cí)流量計的整體(tǐ)溫度可(kě)有(yǒu)效控制在1009c以(yǐ)下,确保(bǎo)了高溫液态金(jīn)屬試驗(yàn)回路中(zhōng)電磁流量(liàng)計(jì)的(de)可靠性。
在(zài)未來(lái)深空探測領域(yù)中,液(yè)态金屬冷(lěng)卻(què)反應堆可用(yòng)于提供動(dòng)力支(zhī)持,目(mù)前各國正(zhèng)在廣泛開展這(zhè)方面(miàn)的研(yán)究"。但(dàn)在反應堆應用(yòng)之前需要在地(dì)面建立(lì)系統級(jí)或部件級試驗對它(tā)進行可行(háng)性(xìng)驗證，爲此研(yán)究人員(yuán)設計了一套高溫液态(tài)金屬試驗回路(lù)2],回路中設(shè)有電磁(cí)流(liú)量(liàng)計來測(cè)量液态金屬nak的流量。然而,現階(jiē)段設(shè)計的電磁流量計中的某些部件(jiàn)無法長期耐(nài)受(shòu)100c以上(shàng)的高溫(wēn)，爲了(le)确保高溫液态金屬(shǔ)試驗(yàn)回路長周(zhōu)期運(yùn)行期間電(diàn).磁流量計的(de)性能不受高(gāo)溫環(huán)境的(de)影響(xiǎng),需要(yào)對流量計進行冷卻處理。爲此(cǐ),設計人員在高(gāo)溫管道與流量計之(zhī)間(jiān)設(shè)計了(le)隔熱材料和冷(lěng)卻盤(pán)管,筆者利(lì)用數值模拟技(jì)術對電磁流量計進行(háng)三維熱(rè)工計(jì)算,以評價(jià)其運行可靠性(xìng)。
1計算模型
1.1幾何模型
高(gāo)溫(wēn)液态金屬試(shì)驗回路(lù)如圖1所示(shì)2,該回(huí)路位于一(yī)個大(dà)的真空室内，電(diàn)磁流(liú)量計(圖2)安(ān)裝在電(diàn)磁泵和(hé)電加(jiā)熱線圈之(zhī)間(jiān)的(de)管路上,主(zhǔ)要由(yóu)永磁(cí)體、銅(tóng)導體、隔(gé)熱(rè)材料(liào)及冷卻盤管等(děng)組成。該試驗回(huí)路(lù)中，液态金屬(shǔ)nak的最高試(shì)驗(yàn)溫度可(kě)達500℃。
1.2網格(gé)劃分
利用(yòng)gambit軟件采(cǎi)取結構(gòu)化的(de)網格(gé)劃分(fèn)方式對(duì)電(diàn)磁流(liú)量計(jì)三維模型(xíng)進行網格(gé)劃分(圖(tú)3),保證(zhèng)在(zài)提高(gāo)網格質量(liàng)的同(tóng)時最大限(xiàn)度地(dì)降低網格數目(mù),網格獨立性驗(yàn)證後最(zuì)終(zhōng)使用(yòng)的網格(gé)數目約100萬
1.3計算(suàn)方法(fǎ)
通過(guò)數值(zhí)模拟方法(fǎ)3]可以顯示(shì)并分(fèn)析流動(dòng)和傳熱(rè)現象，并可以得(dé)到相應過程的最佳設(shè)計參數(shù),爲試驗提供指(zhǐ)導,節省了以往(wǎng)試驗(yàn)所需的人(rén)力、物力(lì)和時間(jiān)。随着(zhe)計(jì)算(suàn)機軟(ruǎn)硬件技(jì)術(shù)的發展和(hé)數值計算方法的日(rì)趨成(chéng)熟,出現了基于(yú)現(xiàn)有流動(dòng)理論(lùn)的商用計算流(liú)體動力學(cfd)軟件,爲解(jiě)決實(shí)際工(gōng)程問(wèn)題(如(rú)特殊(shū)儀(yí)器儀表仿真(zhēn)模拟等)提(tí)供了(le)新方法4-101
電磁流(liú)量計部件(jiàn)涉及(jí)冷卻(què)水流動與(yǔ)換熱、固體(tǐ)域熱(rè)傳導等控制方(fāng)程,冷卻水可視(shì)爲不可(kě)壓(yā)縮湍流流(liú)動，采用标準k-8模型标準壁(bì)面函數方(fāng)法，得到冷卻水流動換熱基本(běn)控制方程分别如下(xià):
式(shì)中cp--比熱(rè)容;
?exit一動量(liàng)守恒方(fāng)程(chéng)的廣義源(yuán)項;
h一(yī)顯焓(hán);
p一流體微元體.上的(de)壓力;
q一(yī)體(tǐ)積熱源;
st一(yī)能量源項;
t一(yī)溫度;
t一時間(jiān)變量(liàng);
u一流(liú)體速(sù)度;
ρ一(yī)密度;
λ一導熱系(xì)數;
μ一流體(tǐ)黏度(dù);
下角(jiǎo)
i、j、k--1、2、3,代(dài)表笛卡(kǎ)爾坐(zuò)标系(xì)下的3個方(fāng)向(xiàng)。
方(fāng)程(1)~(4)可使用fluent軟件(jiàn)在三(sān)維網(wǎng)格空間中(zhōng)進行(háng)離散求(qiú)解(jiě)。
邊界條(tiáo)件主要(yào)有熱(rè)邊界(jiè)和冷卻邊界兩種。其(qí)中熱邊界爲液态金屬溫度,設(shè)定爲試驗時的最高溫度500℃(773.15k)，外圍(wéi)正對真(zhēn)空室内(nèi)壁的表(biǎo)面設定(dìng)爲70℃;冷卻邊界主要有(yǒu)冷卻(què)管道(dào)内冷卻介質的(de)人口(kǒu)溫度(設定(dìng)爲(wèi)30℃/303.15k)和入口(kǒu)流速或流量(約3m/s或0.0375kg/s)。
2計算結果分(fèn)析
2.1盤(pán)管内無(wú)冷卻時(shí)
盤管内無冷卻時電磁流(liú)量計(jì)關鍵部位的溫度剖面(miàn)雲圖如圖4所示，軸(zhóu)向低、中、高3個位置上(shàng)的溫度剖面雲(yún)圖如(rú)圖5所示。可(kě)以看出(chū),靠(kào)近高(gāo)溫液态金屬管路外壁一側的(de)最高(gāo)溫度在200℃左(zuǒ)右，故僅靠(kào)隔(gé)熱層是(shì)無法滿足(zú)電磁流量(liàng)計環境溫(wēn)度低(dī)于100℃的(de)要求的。
2.2盤管有冷卻時
盤(pán)管有(yǒu)冷卻時電(diàn)磁流量計溫度雲圖(tú)如圖6所示其中(zhōng)最高(gāo)溫度爲設(shè)定的液态金屬(shǔ)溫度773.15k。電磁流量(liàng)計關鍵部(bù)位的(de)三維(wéi)溫度場如圖7所示。可(kě)以看出,有了(le)盤管内(nèi)的冷卻水,借助(zhù).銅導體良(liáng)好的熱導(dǎo)率，可以把(bǎ)電磁流量計的(de)最高溫度維持(chí)在80℃左右，滿足低(dī)于100℃的(de)設計要求。
3結束語(yǔ)
以電(diàn)磁流量計爲研(yán)究對象,采取符(fú)合實際的(de)邊界(jiè)條(tiáo)件,通過(guò)數值模拟(nǐ)方法得到了電(diàn)磁流(liú)量計關鍵(jiàn)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng),關鍵(jiàn)部位(wèi)的(de)最(zuì)高溫度在80℃左右，高溫液态金屬試驗(yàn)回路(lù)長周期(qī)運行期間電(diàn)磁流(liú)量計的性(xìng)能不(bú)受高(gāo)溫環(huán)境的(de)影響,保證了運(yùn)行的可靠。
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