高溫液態金屬試驗回路中電磁流量計的三維熱工數值模擬計算

鄒佳訊 郭春秋 畢可明

（中國原子能科學研究院）

在未來深空探測領域中，液態金屬冷卻反應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［1］。 但在反應堆應用之前需要在地面建立系統級或部件級試驗對它進行可行性驗證，為此研究人員設計了一套高溫液態金屬試驗回路［2］，回路中設有電磁流量計來測量液態金屬NaK的流量。然而，現階段設計的電磁流量計中的某些部件無法長期耐受100℃以上的高溫， 為了確保高溫液態金屬試驗回路長周期運行期間電磁流量計的性能不受高溫環境的影響，需要對流量計進行冷卻處理。 為此，設計人員在高溫管道與流量計之間設計了隔熱材料和冷卻盤管，筆者利用數值模擬技術對電磁流量計進行三維熱工計算，以評價其運行可靠性。

1 計算模型

1.1 幾何模型

高溫液態金屬試驗回路如圖1所示［2］，該回路位于一個大的真空室內，電磁流量計（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、銅導體、隔熱材料及冷卻盤管等組成。 該試驗回路中， 液態金屬NaK的最高試驗溫度可達500℃。

圖1 高溫液態金屬試驗回路

圖2 電磁流量計模型

1.2 網格劃分

利用GAMBIT軟件采取結構化的網格劃分方式對電磁流量計三維模型進行網格劃分 （圖3），保證在提高網格質量的同時最大限度地降低網格數目，網格獨立性驗證后最終使用的網格數目約100萬。

圖3 電磁流量計網格劃分

1.3 計算方法

通過數值模擬方法［3］可以顯示并分析流動和傳熱現象， 并可以得到相應過程的最佳設計參數，為試驗提供指導，節省了以往試驗所需的人力、物力和時間。 隨著計算機軟硬件技術的發展和數值計算方法的日趨成熟，出現了基于現有流動理論的商用計算流體動力學（CFD）軟件，為解決實際工程問題 （如特殊儀器儀表仿真模擬等）提供了新方法［4～10］。

電磁流量計部件涉及冷卻水流動與換熱、固體域熱傳導等控制方程，冷卻水可視為不可壓縮湍流流動， 采用標準k-ε模型標準壁面函數方法，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；

fexit——動量守恒方程的廣義源項；

h——顯焓；

p——流體微元體上的壓力；

q——體積熱源；

St——能量源項；

T——溫度；

t——時間變量；

u——流體速度；

ρ——密度；

λ——導熱系數；

μ——流體黏度；下角

i、j、k——1、2、3，代表笛卡爾坐標系下的3個方向。

方程（1）～（4）可使用FLUENT軟件在三維網格空間中進行離散求解。

邊界條件主要有熱邊界和冷卻邊界兩種。 其中熱邊界為液態金屬溫度，設定為試驗時的最高溫度500℃（773.15K）， 外圍正對真空室內壁的表面設定為70℃； 冷卻邊界主要有冷卻管道內冷卻介質的入口溫度（設定為30℃/303.15K）和入口流速或流量（約3m/s或0.037 5kg/s）。

2 計算結果分析

2.1 盤管內無冷卻時

盤管內無冷卻時電磁流量計關鍵部位的溫度剖面云圖如圖4所示，軸向低、中、高3個位置上的溫度剖面云圖如圖5所示。 可以看出，靠近高溫液態金屬管路外壁一側的最高溫度在200℃左右，故僅靠隔熱層是無法滿足電磁流量計環境溫度低于100℃的要求的。

圖4 盤管內無冷卻時電磁流量計關鍵部位的溫度剖面云圖

圖5 電磁流量計關鍵部位軸向低、中、高3個位置的溫度剖面云圖

2.2 盤管有冷卻時

盤管有冷卻時電磁流量計溫度云圖如圖6所示， 其中最高溫度為設定的液態金屬溫度773.15K。 電磁流量計關鍵部位的三維溫度場如圖7所示。 可以看出，有了盤管內的冷卻水，借助銅導體良好的熱導率，可以把電磁流量計的最高溫度維持在80℃左右， 滿足低于100℃的設計要求。

圖6 盤管有冷卻時電磁流量計溫度云圖

圖7 電磁流量計關鍵部位的三維溫度場

3 結束語

筆者以電磁流量計為研究對象，采取符合實際的邊界條件，通過數值模擬方法得到了電磁流量計關鍵結構的溫度場，關鍵部位的最高溫度在80℃左右， 確保了高溫液態金屬試驗回路長周期運行期間電磁流量計的性能不受高溫環境的影響，保證了運行的可靠性。