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基于OpenFOAM对两相流动的数值研究

作　者: 柴翔
导　师: 程旭
学　校: 上海交通大学
专　业: 核能科学与工程
关键词: OpenFOAM 两相流动模拟相间阻力浮升力
分类号: O359
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 580次
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内容摘要

两相流动作为核电领域中普遍存在的问题关系到反应堆组件内部的流型以及传热方式,是决定反应堆热工水力性能和安全裕量的一个重要因素。基于两流体模型国际上使用数值模拟的方法(CFD)对两相流动开展了大量的研究工作,提出了多种描述气泡和液体间动量交换的模型,但是这些模型多是基于单一工况,而并没有提出通用的描述模型。针对两相流动的研发现状,本文通过以下几个步骤开展对两相流动的数值研究:搭建并验证了开源的CFD平台OpenFOAM;基于新的CFD平台开发两相流动的计算程序;开发新的两相阻力模型并通过实验结果评估新模型;评估现有的浮升力模型。论文的主要工作包括:1. CFD平台的搭建以及验证:(1)搭建了开源CFD平台;(2)完成了ADS(accelerator driven system)无窗靶件内部自由界面形态的实验研究,通过实验数据和数值模拟结果的对比验证了新的CFD平台在两相自由界面追踪上的能力;(3)基于紧密栅元中子通道内部流动的实验数据,使用大涡模拟的方法,验证了新的CFD平台在计算单相流动问题上的能力。2.两流体模型求解器的开发:基于半守恒格式的两流体模型,使用新的CFD平台,根据网格表面相关变量的守恒性,开发针对两相流动问题的计算程序。3.两相阻力模型的研究:(1)基于气泡的尾流效应,开发了新的相间阻力模型并通过实验数据评估了新模型的有效性;(2)将新模型添加入新开发的计算程序,通过数值方法研究了垂直上升管道内部的泡状流问题,同时证明了新的阻力模型能够改进相间阻力系数和相对速度的计算结果;(3)阐述了针对两相流动的湍流模型对两相速度分布模拟有着重要的作用。4.两相浮升力模型的研究:对两相浮升力模型进行数值计算,发现现有的浮升力模型和壁面力模型不能对空泡份额的近壁面处的峰值做出正确的预测;同时,由于两相湍流模型对近壁面处对速度分布预测存在缺陷,对近壁面空泡份额的计算结果造成了一定的影响。本文旨在通过搭建新的开源CFD平台,并将这一平台应用到两相流动的数值模拟中去,其研究成果为新的自主CFD程序的开发有一定的实用意义。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-25
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 数值模拟研究现状  13-24
    1.2.1 CFD 的研究现状  14-17
    1.2.2 水堆两相流的研究现状  17-18
    1.2.3 阻力和浮升力的研究现状  18-24
  1.3 本文的研究内容  24-25
第二章 OpenFOAM 平台搭建及验证  25-49
  2.1 OpenFOAM 介绍  25-30
    2.1.1 张量场的实现  26-28
    2.1.2 非线性项的离散  28-29
    2.1.3 总结  29-30
  2.2 平台验证例1：无窗靶件中自由界面形态的计算  30-39
    2.2.1 结构与几何尺寸  31
    2.2.2 数值计算方法  31-33
    2.2.3 计算结果与分析  33-38
    2.2.4 结论  38-39
  2.3 平台验证例2：紧密栅元子通道内部流动的模拟  39-48
    2.3.1 结构与几何尺寸  39-40
    2.3.2 数值计算方法  40-42
    2.3.3 网格的敏感性分析  42-44
    2.3.4 实验数据与计算结果的比较  44-47
    2.3.5 结论  47-48
  2.4 本章小结  48-49
第三章两流体模型数值求解算法  49-58
  3.1 控制方程  49-51
  3.2 求解算法  51-57
    3.2.1 动量方程的半守恒格式  51-52
    3.2.2 压力和速度的耦合  52-55
    3.2.3 求解步骤  55-57
  3.3 本章小结  57-58
第四章阻力模型的分析  58-70
  4.1 阻力模型的选择  58-63
    4.1.1 新阻力模型的推导  58-60
    4.1.2 新阻力模型的验证  60-63
  4.2 模型的计算  63-69
    4.2.1 网格的敏感性分析  63-65
    4.2.2 模拟结果与实验数据的比较和分析  65-69
  4.3 本章小结  69-70
第五章浮升力模型的分析  70-87
  5.1 计算模型  70-72
    5.1.1 浮升力模型  70-71
    5.1.2 壁面力模型  71-72
  5.2 模型计算结果与分析  72-85
    5.2.1 网格的敏感性分析  72-74
    5.2.2 模拟结果与实验数据的比较和分析  74-85
  5.3 本章小结  85-87
第六章全文总结  87-90
  6.1 主要工作内容  87-89
  6.2 论文创新点  89
  6.3 研究展望  89-90
参考文献  90-93
致谢  93-94
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  94

基于OpenFOAM对两相流动的数值研究

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