摘要：利用(yòng)CFD軟件FLUENT對高溫液(ye)态金屬試驗回(huí)路中的電磁流(liu)量計
三維溫度(dù)場進行了數值(zhi)模拟計算,結果(guo)表明:若無冷✉️卻(què)措☔施,電磁流量(liàng)計的局部溫度(dù)會超過200C;冷卻方(fāng)🌈案下，電磁流量(liang)計的整體🤩溫度(du)可有效控制在(zài)1009C以下,确保了高(gāo)溫液🛀态金屬⚽試(shì)驗回路中電磁(cí)流量計的可靠(kao)性。
在未來深空(kōng)探測領域中,液(ye)态金屬冷卻反(fan)應堆可♻️用于提(tí)供動力支持,目(mù)前各國正在廣(guǎng)泛開展這方面(miàn)的研究"。但在反(fan)應堆應用之前(qian)需要在地面建(jian)立🍓系統級或部(bu)件級試驗對它(tā)進行可行性驗(yan)證，爲此研究人(rén)員🌈設計了一套(tào)高溫液态金屬(shu)試驗回路2],回👉路(lu)中設有電磁流(liu)量計來測量液(yè)态金✔️屬NaK的流量(liang)。然而,現階段設(shè)計的電磁流量(liang)計中的某些部(bù)件無法長期耐(nài)受100C以上的高溫(wen)，爲了确保高溫(wēn)液态金屬試驗(yàn)回路長周期運(yun)行💞期間電.磁流(liú)量計的性能不(bu)受高溫環境的(de)影響,需要對流(liu)量計進行冷卻(què)處理。爲此,設計(ji)人員在高溫管(guǎn)道⭐與流量計之(zhi)間設計了隔熱(re)材料和冷卻盤(pan)管,筆者利用數(shù)值模拟技術對(duì)電磁流量計進(jin)行三維熱工🎯計(jì)算,以🐇評價其運(yun)行可靠性。
1計算(suàn)模型
1.1幾何模型(xíng)
高溫液态金屬(shu)試驗回路如圖(tú)1所示2,該回路位(wèi)于一💁個大的真(zhen)空室内，電磁流(liú)量計(圖2)安裝在(zài)電磁泵和電加(jiā)🤞熱線圈之間的(de)管路上,主要由(yóu)永磁體、銅導體(tǐ)😄、隔熱材🔞料及冷(leng)卻盤管等組成(chéng)。該試驗回路中(zhong)，液态金屬NaK的最(zui)高試驗溫度可(kě)達500℃。
1.2網格(gé)劃分
利用GAMBIT軟件(jian)采取結構化的(de)網格劃分方式(shì)對電磁流量計(ji)三維模🚶型進行(háng)網格劃分(圖3),保(bao)證在提高網格(ge)質量的同時最(zuì)大限度地降低(dī)網格數目,網格(ge)獨立性驗證後(hou)最終🔞使用的網(wǎng)格數目約100萬
1.3計算(suan)方法
通過數值(zhi)模拟方法3]可以(yǐ)顯示并分析流(liú)動和傳熱🔱現象(xiang)，并🤟可💰以得到相(xiàng)應過程的最佳(jiā)設計參數,爲試(shi)驗提供指導,節(jiē)省了🏒以往試驗(yàn)所需的人力、物(wu)力和♋時間。随📐着(zhe)計算機軟硬件(jiàn)技術🛀的發展和(he)數值計算✔️方法(fa)的日趨成熟,出(chu)現了基于🌈現有(you)流動理論的商(shāng)🔞用計算流體動(dong)力學(CFD)軟件,爲解(jie)決實際工程問(wèn)題(如特殊儀器(qi)儀表仿真模拟(nǐ)等)提🥵供了新方(fang)法4-101
電磁流量計(ji)部件涉及冷卻(què)水流動與換熱(re)、固體域熱傳導(dao)等🐅控制方程,冷(leng)卻水可視爲不(bú)可壓縮湍流流(liú)動，采用标準❄️k-8模(mo)型🐅标準壁面函(han)數方法，得到冷(lěng)卻水流動換熱(re)基本控制方程(chéng)分别如下:
式中(zhōng)Cp--比熱容;
?exit一動量(liang)守恒方程的廣(guang)義源項;
h一顯焓(han);
p一流體微元體(tǐ).上的壓力;
q一體(ti)積熱源;
St一能量(liang)源項;
T一溫度;
t一(yi)時間變量;
u一流(liu)體速度;
ρ一密度(dù);
λ一導熱系數;
μ一(yī)流體黏度;
下角(jiao)
i、j、k--1、2、3,代表笛卡爾坐(zuò)标系下的3個方(fang)向。
方程(1)~(4)可使用(yong)FLUENT軟件在三維網(wang)格空間中進行(háng)離散求解。
邊界(jie)條件主要有熱(re)邊界和冷卻邊(biān)界兩種。其中熱(rè)邊界🔅爲💰液态金(jīn)屬溫度,設定爲(wei)試驗時的最高(gāo)溫度500℃(773.15K)，外圍正對(dui)真空室内壁的(de)㊙️表面設定爲70℃;冷(lěng)卻邊界主要有(yǒu)冷卻管道☂️内冷(leng)卻介質的⛷️人口(kǒu)溫度(設定爲30℃/303.15K)和(he)入口流速或流(liu)量(約3m/s或0.0375kg/s)。
2計算結(jie)果分析
2.1盤管内(nèi)無冷卻時
盤管(guan)内無冷卻時電(dian)磁流量計關鍵(jiàn)部位的溫度剖(pou)面雲圖如圖4所(suo)示，軸向低、中、高(gāo)3個位置上的溫(wen)度剖面雲圖如(rú)圖5所🐆示。可以看(kan)✏️出,靠近高溫液(yè)态金屬管路外(wai)壁一側的🔞最高(gāo)溫度在200℃左右，故(gu)僅🍉靠隔熱層是(shì)無法滿足電磁(ci)流量計環境溫(wēn)🙇♀️度低于100℃的🐆要求(qiú)的。
2.2盤管有冷卻(que)時
盤管有冷卻(que)時電磁流量計(ji)溫度雲圖如圖(tu)6所示其中最高(gāo)溫度爲設定的(de)液态金屬溫度(du)773.15K。電磁流量計關(guān)鍵⭐部位的三維(wéi)溫度場如圖7所(suo)示。可以看出,有(you)了❌盤管内⛹🏻♀️的冷(leng)卻水,借助.銅導(dao)體👉良好的熱導(dao)率，可以把電磁(ci)流量計的最⛹🏻♀️高(gao)溫度維💘持在80℃左(zuǒ)右，滿足低于📧100℃的(de)設計要求。
3結束語
以電(dian)磁流量計爲研(yan)究對象,采取符(fú)合實際的邊界(jiè)條件,通過😄數值(zhí)模拟方法得到(dao)了電磁流量計(ji)關鍵結構的溫(wēn)度場,關鍵部位(wei)的最高溫度在(zài)80℃左右，高溫🌈液态(tài)金屬試驗回路(lù)長周期運行期(qī)間電磁流量計(jì)的性能不受高(gāo)溫環境的影響(xiang),保證了運行的(de)可靠。
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