ADS钨球流态固体散裂靶换热器的数值模拟研究

ADS钨球流态固体散裂靶换热器的数值模拟研究刘捷*，刘欢，卢文强中国科学院大学工程科学学院，北京，10049*Tel：[phone],Email:[e-mail]摘要：本文在优化后的换热器模型的基础上数值模拟方法计算了钨球多颗粒在竖直放置的平板换热器中与氦气的换热过程，追踪捕获了颗粒在换热器中的运动轨迹，发现颗粒与换热器的碰撞次数对其下落过程影响很大，碰撞次数越多，颗粒在换热器中运动时间越长，出口温度越低。并对比了不同速度氦气与钨球颗粒的换热效果，最终确定了换热器最低氦气速度，上述换热器数值模拟结果为ADS流态固体散裂靶换热器的可行性及实验提供了可靠的数据参考，为未来ADS固体散裂靶的发展奠定了基础。关键词：颗粒换热器；CFD-DPM；DEM；多项流；数值模拟引言加速器驱动次临界堆系统(AcceleratorDrivenSystem,ADS)是未来安全处理核废料的首选技术途径[1-3]。ADS系统由加速器、散裂靶和反应堆三大子系统构成，其中散裂靶连接加速器和反应堆，是整个系统的“心脏”[4]。由于欧洲铅铋合金气液散裂靶存在研制和运行费用高、温度-材料腐蚀效应严重并伴有次生放射性产物毒性高等缺点，中国科学院詹文龙副院长[1,3]于2013年提出了钨球流态固体散裂靶的新设计方案（如图1所示），并进行重点探索和研究。钨球流态固体散裂靶的主要功能是作为靶材料被质子束轰击产生中子，中子再轰击到布置在靶体周围的核废料，从而引起核废料的嬗变，降低其放射性。然而钨球流态固体散裂靶中的钨球颗粒在被质子束轰击之后，发生散裂反应，会产生大量的热沉，使散裂靶出口的钨球温度过高，远高于靶进口要求的温度，无法直接实现钨球的循环利用。因此需要在钨球出口和入口之间设计一个换热器，使钨球的温度降低以达到入口所要求的温度。图1钨球流态固体散裂靶示意图[1]颗粒换热器中颗粒与流体的换热方式主要包括颗粒与流体之间的对流换热、颗粒与颗粒之间的换热及颗粒与换热器壁面之间的换热，这三种换热过程涉及导热、对流和辐射三种传热机理，并与颗粒的运动紧密关联。颗粒换热与颗粒运动的这种极强耦合性导致对其换热机理的研究非常困难，但由于其广泛存在于化工、环境、能源和生命科学等领域，并与流化床、固定床、燃烧等应用密切相关，因此一直吸引着国内外学者对其进行大量研究。在颗粒运动方面，刘马林[5]、柳朝晖[6]和郑梦娇[7]等使用格子Boltzmann方法对单颗粒、双颗粒沉降进行数值模拟研究，结果与实验符合很好。曲长福[8]等获得了多颗粒均匀分布系统中单颗粒所受到的气动力与空隙率的关系。ChiZhu[9]等实验研究了小直径球形单颗粒在以不同速度流动的流体中的非定常运动，发现Bassetforce在颗粒的非定常运动中贡献很小，可忽略不计；并获得了与实验结果符合很好的阻力系数CD-Re公式。S.M.Dash[10]等基于浸入边界和格子Boltzmann法分别数值模拟气体与静止颗粒和运动颗粒的相互作用，发现随着Re的增加，颗粒后面回流区出现非对称现象，流动呈现不稳定性。在颗粒换热方面，朱立平[11]等基于离散单元法(DEM)提出了综合考虑颗粒碰撞传热、颗粒内部导热以及颗粒与气体间的对流换热的模型，并数值模拟固定床中丝状颗粒的传热过程，发现对流换热对整体传热量的贡献较大。NielsG.Deen[12]等给出了计算稠密颗粒-气体两相系统的平均换热系数及当地换热系数的公式，并用数值模拟验证了其公式的准确性。J.Sun和M.M.Chen[13]引入弹性碰撞理论，从理论推导出两颗粒在碰撞过程中的传导热量。国际著名颗粒学者、澳大利亚新南威尔士大学余艾冰教授[14-15]考虑了非接触颗粒间的气体导热，对Sun和Chen颗粒碰撞的导热公式进行了修正，并用有限单元法进行了验证。C.S.Bu[16]建立了包含颗粒内部的传热、粗糙表面的传热、颗粒表面气膜的传热和紧密接触粗糙表面的孔隙传热四种导热机理的理论模型并用并用离散单元法进行计算，指出当颗粒温度在700K以下时，颗粒的辐射换热可以忽略。Z.Y.Zhou[17-19]等在颗粒尺度计算中采用含导热、对流和辐射三种方式的模型计算了流化床中的换热系数，并给出了上述三种换热方式计算的经验公式，与实验结果吻合较好。颗粒碰撞之间的瞬时性及其表面变形给颗粒碰撞换热研究带来了困难，已发表的成果中并无颗粒碰撞换热统一的模型及公式，这导致准确描述颗粒与气体之间的换热，尤其是稠密流动颗粒系统仍充满了挑战。本文在理论计算确定的换热器模型基础上，对气-固两相换热过程进行了数值模拟研究，通过追踪颗粒的运动，研究多颗粒系统的气固换热过程，并对比了气体速度对两相系统换热的影响，为未来ADS流态固体散裂靶颗粒换热器的实验及发展提供了参考数据。1数理模型钨球颗粒换热器模型如图2a所示，是竖直放置的一个长方体，长宽高对应的尺寸分别是400x300x10，单位是mm。换热器四周壁面外侧通过与水换热来带走热量，由于水量相对较大，可以认为换热器壁面是定温的，且等于水的温度298.15K；颗粒从换热器上面射入换热器，重力方向竖直向下，颗粒在重力的作用下在换热器中做加速运动，气体从换热器下面以恒定速度吹入换热器，气体与颗粒流相向运动，通过对流换热使钨球颗粒降温，以满足ADS系统散裂靶钨球入口温度的要求。为了节约计算量，简化计算，同时保持颗粒换热器原有的颗粒-气体两相运动及换热特点，将原换热器模型的宽度缩减，如图2b所示，宽度缩减为20mm，长度和厚度方向尺寸不变。颗粒射入方式简化为单颗粒无初速度射入，直径为1mm的单钨球颗粒以时间间隔为0.03s从换热器上方横截面的几何中心点被不断的无初速度射入该换热器，而氦气或空气以恒定的速度被从换热器的底部吹入换热器，与作加速下落运动的颗粒流进行对流换热。颗粒射入的初始温度为773.15K，氦气和空气的初始温度为298.15K。颗粒作为离散相，采用Langrange方法追踪其运动轨迹、瞬时状态；氦气作为连续相，采用Euler方法对其进行计算；通过离散相与连续相的耦合计算颗粒与气体之间的受力、换热。由于颗粒在重力的作用下在流体中作加速下落运动，计算时颗粒只需考虑重力、阻力、虚假质量力以及压力梯度力。颗粒在下落过程中会与换热器壁面及其他颗粒之间发生碰撞而改变运动轨迹，碰撞过程可作为弹性碰撞，采用DEM方法对其碰撞过程进行计算。由于碰撞过程非常短暂且碰撞接触面积极小，而且碰撞所传递的热量相对于颗粒与气体通过对流换热所传递的热量来说非常小，可忽略不计，因此对流换热是换热器中颗粒与气体的主要换热方式。a原模型b计算模型图2计算模型2结果与讨论：2.1单颗粒自由释放换热：图3入口风速为0.1m/s时颗粒温度随时间数值解与理论解的对比为了验证颗粒与气体换热计算方法的正确性，数值模拟单颗粒在该模型中与空气的换热过程，其中空气以0.1m/s的速度从计算模型的下方吹入，直径为1mm的单个钨球颗粒从计算模型的上方中心处无初速度射入，颗粒的入射参数如表1所示，数值模拟得到的颗粒温度随运动时间的变化曲线如图3中红线所示。并将模拟结果与由Whitaker[20]得到的圆球强迫对流换热经验关系式：及集总热容法所计算得到的理论结果进行对比，对比结果如图3所示，从图中可以看出理论解与数值解符合的很好，其中最大误差为0.72%(出现在颗粒运动时间为0.205s处)，误差主要是由于没有考虑阻力及理论计算时采用时间段内的平均速度所导致的。单颗粒下落换热过程中颗粒温度的理论值与数值解的相对误差都小于1%，因此该计算方法所得的结果是准确12230.4142(0.4Re0.06Re)Pr()DDDsNu的，可行的。钨球物性数值单位密度19300kg/m3直径1mm温度773.15K比热145J/kg·KX速度0m/sY速度0m/sZ速度0m/s表1颗粒入射参数2.2多颗粒自由释放与氦气的换热：钨球颗粒从ADS散裂靶中流出后将从换热器的上部无初速度连续射入换热器中，与从换热器底部以速度为4m/s吹入的氦气发生对流换热使钨颗粒温度降低。为了研究上述换热过程，将射入颗粒过程简化为从换热器上部中心一点处以时间间隔为0.03s连续射入单钨球颗粒，第一个颗粒在t=0.016s时入射，在射入的第一颗颗粒从换热器底部射出之前换热器中可共存在6个钨球颗粒，颗粒在计算时间范围为t=0.02s-0.19s的运动图像如图4所示，从图4中可以看出颗粒在换热器下落过程中由于受到氦气给它的阻力而发生运动偏转，不停的与换热器壁面发生碰撞改变运动方向。图4氦气速度v=4m/s时颗粒随时间变化的运动图像(时间间隔0.01s)计算总共追踪研究了20个颗粒在换热器中的换热过程，其出口温度及在换热器中运动的时间如图5所示，横坐标的颗粒序号代表了钨球颗粒射入换热器的先后顺序，纵坐标分别代表了颗粒的出口温度和颗粒从换热器中射出所需要的时间。从图5中可以看出颗粒出口温度变化非常剧烈，这主要是由于颗粒在换热器中运动的时间不同导致的。颗粒在换热器中运动的时间越长，与氦气对流换热的热量越多，则其出口温度就比较低；相反颗粒运动的时间短，与氦气对流换热的热量少，其出口温度就较高，且有6个颗粒已经超出了钨球颗粒换热器出口温度的限制623.15K(350℃)。颗粒在换热器中运动的时间主要受颗粒的运动轨迹影响，颗粒在换热器中的运动轨迹由颗粒的受力情况所决定，颗粒在下落过程中与换热器壁面发生碰撞的次数决定了颗粒在换热器中运动的总距离，碰撞次数越多，颗粒在换热器中Z、X方向运动的距离越长，则会减少其竖直方向(Y方向)下落的距离，所以其在换热器中运动的时间就较长，与氦气对流换热的热量较多，导致其出口温度较低。图5氦气速度v=4m/s时颗粒的出口温度及在换热器中运动的时间从图5中还可以看出，颗粒序号为6，即射入的第6个颗粒比第5个颗粒先从换热器出口射出，颗粒序号为11比颗粒序号为10先离开换热器，同样颗粒序号20比19先射出换热器，这是因为射入的第6、11、20颗粒与换热器壁面碰撞的次数较少，在竖直方向下落的较快，超过了比他们之前射入的颗粒。其中颗粒5和6的运动情况如图6所示，在t=0.246s之前颗粒6一直在颗粒5后面追赶，颗粒5与换热器的壁面发生多次碰撞，使颗粒5在换热器中发生大量的横移运动，而减缓了下降的距离。相反颗粒6在下落过程较少与换热器壁面发生碰撞，因此在竖直方向的运动相对颗粒5较快，如图7所示。两颗粒在下落过程中，颗粒6一直在追赶颗粒5，两颗粒在竖直方向的间距不断缩小，直到t=0.286s时，颗粒6在竖直方向超过了颗粒5，最后颗粒6比颗粒5更早的射出换热器。颗粒11和20与颗粒6的情况类似，这三个颗粒也因此在换热器中运动的时间较少，出口温度较高，全都超过了钨球颗粒换热器出口温度的限制623.15K(350℃)。0.146s0.156s0.166s0.176s0.18s0.186s0.196s0.206s0.21s0.216s0.22s0.226s0.236s0.24s0.246s0.256s0.26s0.266s0.286s0.296s图6第5个颗粒和第6个颗粒的下落过程图73对颗粒在竖直方向随时间变化运动情况的对比2.3多颗粒与不同速度氦气的换热：钨球多颗粒与v=4m/s的氦气换热，颗粒出口温度波动很大，在追踪的20个颗粒中有6个颗粒超出了ADS系统散裂靶钨球入口温度的要求623.15K(350℃)，且很多颗粒非常接近所要求的温度，这极不利于ADS系统的稳定安全运行。为了使所有颗粒的出口温度满足要求，必须增加颗粒与气体的换热量，通过增加氦气的流动速度来增大氦气与颗粒的对流换热系数是增加颗粒与气体换热量最为有效的途径。图8不同速度氦气时颗粒的出口温度本文研究了氦气速度分别为4m/s、5m/s、6m/s和10m/s时颗粒的出口温度，如图8所示，当氦气速度为5m/s时只有1个颗粒超过了温度要求线623.15K，且其他颗粒温度远低于所要求的温度。而氦气速度为6m/s以上时，所有射入的颗粒都达到了出口温度的要求，氦气速度为10m/s更是