摘要(yao)：利用CFD軟件(jian)FLUENT對高溫液(ye)态金屬試(shi)驗回路中(zhong)的電磁流(liu)量計
三維(wei)溫度場進(jin)行了數值(zhi)模拟計算(suan),結果表明(ming):若無冷卻(que)措施,電磁(ci)流量計的(de)局部溫度(du)會超過200C;冷(leng)卻方案下(xia)，電磁流量(liang)計的整體(ti)溫度可有(you)效控制在(zai)1009C以下🔆,确保(bao)了高溫液(ye)态金屬試(shi)驗回路中(zhong)電磁流量(liang)計的可靠(kao)性。
在未來(lai)深空探測(ce)領域中,液(ye)态金屬冷(leng)卻反應堆(dui)可用于提(ti)供動力支(zhi)持,目前各(ge)國正在廣(guang)泛開展這(zhe)方面的研(yan)究"。但在反(fan)應堆應用(yong)之前需要(yao)在地面建(jian)立系統級(ji)或部件級(ji)試驗對它(ta)進行可行(hang)性驗證，爲(wei)此研究人(ren)員🔞設計了(le)一套高溫(wen)液态金屬(shu)試驗回路(lu)2],回路中設(she)有電磁流(liu)量計來測(ce)量液态金(jin)屬NaK的流量(liang)。然而,現階(jie)段設計的(de)電磁流量(liang)計中的某(mou)些部件無(wu)法長期耐(nai)受100C以上的(de)高溫，爲⭐了(le)确保高溫(wen)液态金屬(shu)試驗回路(lu)長周期運(yun)行👣期間電(dian).磁流量計(ji)的性能不(bu)受高溫環(huan)境的影響(xiang),需要✌️對流(liu)量計進行(hang)冷卻處📞理(li)。爲此,設計(ji)人員在高(gao)溫管道與(yu)流量計之(zhi)間設計了(le)隔☔熱材料(liao)和冷卻盤(pan)管,筆者利(li)用數值模(mo)拟技術對(dui)電💘磁流量(liang)計進行三(san)維熱工計(ji)算♋,以⭕評價(jia)其運行可(ke)靠性。
1計算(suan)模型
1.1幾何(he)模型
高溫(wen)液态金屬(shu)試驗回路(lu)如圖1所示(shi)2,該回路位(wei)于一個大(da)的真空室(shi)内，電磁流(liu)量計(圖2)安(an)裝在電磁(ci)泵和電加(jia)☎️熱線圈之(zhi)間的管路(lu)上,主要由(you)永磁體、銅(tong)導體、隔熱(re)材料及冷(leng)卻盤管🈲等(deng)組成。該試(shi)驗回路中(zhong)，液态金屬(shu)NaK的最高試(shi)驗溫度可(ke)達500℃。
1.2網格(ge)劃分
利用(yong)GAMBIT軟件采取(qu)結構化的(de)網格劃分(fen)方式對電(dian)磁流量計(ji)三💚維模🌂型(xing)進行網格(ge)劃分(圖3),保(bao)證在提高(gao)網格質量(liang)的同時最(zui)🌈大限度地(di)降低網格(ge)數目,網格(ge)獨立性驗(yan)證✔️後最終(zhong)使用的網(wang)格數目約(yue)100萬
1.3計算方法(fa)
通過數值(zhi)模拟方法(fa)3]可以顯示(shi)并分析流(liu)動和傳熱(re)現象，并可(ke)⛷️以得到相(xiang)應過程的(de)最佳設計(ji)參數,爲試(shi)驗提✌️供指(zhi)導,節省了(le)以往試驗(yan)所需的人(ren)力、物力和(he)時間。随着(zhe)計算機軟(ruan)硬件技術(shu)的發展和(he)數值計算(suan)方法的日(ri)趨成熟,出(chu)現了基于(yu)現有流動(dong)理論的商(shang)用計算流(liu)體動力學(xue)(CFD)軟件,爲解(jie)決實際工(gong)程問題(如(ru)特殊儀器(qi)儀表仿真(zhen)模拟等)提(ti)供了新方(fang)法4-101
電磁流(liu)量計部件(jian)涉及冷卻(que)水流動與(yu)換熱、固體(ti)域💯熱傳導(dao)等控🚩制方(fang)程,冷卻水(shui)可視爲不(bu)可壓縮湍(tuan)流流動，采(cai)用标準k-8模(mo)型标準壁(bi)面函數方(fang)法，得到冷(leng)卻水流動(dong)🙇♀️換熱基本(ben)控制方程(cheng)分别如下(xia):
式中Cp--比熱(re)容;
?exit一動量(liang)守恒方程(cheng)的廣義源(yuan)項;
h一顯焓(han);
p一流體微(wei)元體.上的(de)壓力;
q一體(ti)積熱源;
St一(yi)能量源項(xiang);
T一溫度;
t一(yi)時間變量(liang);
u一流體速(su)度;
ρ一密度(du);
λ一導熱系(xi)數;
μ一流體(ti)黏度;
下角(jiao)
i、j、k--1、2、3,代表笛卡(ka)爾坐标系(xi)下的3個方(fang)向。
方程(1)~(4)可(ke)使用FLUENT軟件(jian)在三維網(wang)格空間中(zhong)進行離散(san)求解🥰。
邊界(jie)條件主要(yao)有熱邊界(jie)和冷卻邊(bian)界兩種。其(qi)中熱邊界(jie)爲液态金(jin)屬溫度,設(she)定爲試驗(yan)時的最高(gao)溫度500℃(773.15K)，外圍(wei)正對真空(kong)📞室内壁的(de)表面設定(ding)爲70℃;冷卻邊(bian)界主🆚要有(you)冷卻管道(dao)内冷卻介(jie)質的人口(kou)溫♌度(設定(ding)爲30℃/303.15K)和入口(kou)流速☎️或流(liu)量(約3m/s或0.0375kg/s)。
2計(ji)算結果分(fen)析
2.1盤管内(nei)無冷卻時(shi)
盤管内無(wu)冷卻時電(dian)磁流量計(ji)關鍵部位(wei)的溫度剖(pou)面雲圖🛀🏻如(ru)圖4所示，軸(zhou)向低、中、高(gao)3個位置上(shang)的溫度剖(pou)面雲🛀🏻圖如(ru)圖5所示。可(ke)🈲以看出,靠(kao)近高溫液(ye)态金屬管(guan)🈲路外壁一(yi)側的🐆最高(gao)溫度在200℃左(zuo)右，故僅靠(kao)隔熱層是(shi)無法滿足(zu)電磁流量(liang)計環境溫(wen)度低于100℃的(de)要求的。
2.2盤(pan)管有冷卻(que)時
盤管有(you)冷卻時電(dian)磁流量計(ji)溫度雲圖(tu)如圖6所示(shi)其中最高(gao)溫度♉爲設(she)定的液态(tai)金屬溫度(du)773.15K。電磁流量(liang)計關鍵部(bu)位的三維(wei)溫度場如(ru)圖7所示。可(ke)以看出,有(you)了盤管内(nei)的冷卻水(shui),借助🈲.銅導(dao)體良好的(de)熱導率，可(ke)以把電磁(ci)流量計的(de)最高溫度(du)維💃🏻持在80℃左(zuo)右，滿足低(di)于100℃的設計(ji)要求💔。
3結束語(yu)
以電磁流(liu)量計爲研(yan)究對象,采(cai)取符合實(shi)際的邊界(jie)條🍓件,通過(guo)數💋值模拟(ni)方法得到(dao)了電磁流(liu)量計關鍵(jian)🧡結構的溫(wen)度場,關鍵(jian)部位的最(zui)高溫度在(zai)80℃左右，高溫(wen)液态金屬(shu)試驗回路(lu)長周期運(yun)行期間電(dian)磁流量計(ji)的性能不(bu)受高溫環(huan)境的影響(xiang),保證了運(yun)行的可靠(kao)🐅。
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