張寶銳,夏兆陽(yáng),周志偉
(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院,北京 100084)
聚變堆包層作為聚變堆的關(guān)鍵部件,承擔(dān)著氚增殖、能量轉(zhuǎn)換及輻射屏蔽等功能。包層氚增殖劑按其形態(tài)可分為固態(tài)包層和液態(tài)包層,其中固態(tài)包層采用鋰陶瓷顆粒作為氚增殖材料,球床采用低壓氦氣作為吹掃氣體將氚載出,并摻雜一定量的氫氣以加快氚的載帶[1-2]。球床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)吹掃氣體的流動(dòng)特性及球床內(nèi)的傳熱傳質(zhì)行為產(chǎn)生影響,因此獲取球床氣體的詳細(xì)流動(dòng)特性及傳熱傳質(zhì)特性對(duì)包層氚輸運(yùn)分析及氚提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。
在球床堆積方面,Gong等[3]采用不同尺寸的鋁合金顆粒進(jìn)行了一元及二元尺寸球床的堆積實(shí)驗(yàn),填充率均可達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。他們同時(shí)采用離散單元法(DEM)計(jì)算程序進(jìn)行了數(shù)值模擬,填充率和孔隙率分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好。在球床流動(dòng)阻力特性研究方面,Abou-Sena等[4]基于其設(shè)計(jì)的壓降測(cè)量裝置,測(cè)量了不同填充因子、流速及粒徑下的氦氣流動(dòng)壓降,驗(yàn)證了Ergun方程的適用性;伍振興等[5]發(fā)現(xiàn)在顆粒粒徑較小(低于1 mm)時(shí),Ergun方程預(yù)測(cè)值低于實(shí)驗(yàn)值,通過(guò)理論推導(dǎo)得出了考慮氦氣可壓縮性影響的修正Ergun方程,與實(shí)驗(yàn)值符合良好;汪衛(wèi)華等[6]首先采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)規(guī)則堆積的氚增殖球床進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了球床內(nèi)的流速及壓力分布;Zhang等[7]、陳有華等[8]分別對(duì)一元及二元球床進(jìn)行了DEM-CFD耦合計(jì)算,獲得了隨機(jī)堆積球床內(nèi)的吹掃氣體速度及壓力分布,發(fā)現(xiàn)在壁面處出現(xiàn)流體加速,而在堆積較密實(shí)的區(qū)域存在流動(dòng)遲滯區(qū)。在球床等效導(dǎo)熱系數(shù)研究方面,Donne等[9]、Liu等[10]采用穩(wěn)態(tài)熱流法分別對(duì)不同堆積率下的硅酸鋰球床進(jìn)行了等效導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn),獲得了等效導(dǎo)熱系數(shù)與平均溫度的線性擬合關(guān)系;駱貝貝等[11]在中國(guó)先進(jìn)研究堆(CARR)中開(kāi)展了輻照環(huán)境下硅酸鋰球床等效導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量,并與理論值和堆外實(shí)驗(yàn)擬合值進(jìn)行了比較。
球床內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為減小計(jì)算量,目前針對(duì)固態(tài)包層模塊的熱工水力及氚輸運(yùn)分析將氚增殖球床等效為固體域或多孔介質(zhì)域,因此需獲得球床結(jié)構(gòu)下流體流動(dòng)特性及球床等效導(dǎo)熱系數(shù),并對(duì)氚在吹掃氣體內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行修正。本文以核工業(yè)西南物理研究院提出的一種氦冷固態(tài)包層概念為研究對(duì)象[12],采用離散單元法生成滿足填充率要求的球床隨機(jī)堆積結(jié)構(gòu),并對(duì)該精細(xì)模型開(kāi)展吹掃氣體流動(dòng)特性研究與球床導(dǎo)熱模擬,為后續(xù)包層的傳熱傳質(zhì)多物理場(chǎng)耦合模擬提供宏觀輸入?yún)?shù)。
氦冷固態(tài)包層采用粒徑為1 mm的硅酸鋰顆粒作為氚增殖劑,為模擬真實(shí)的球床堆積結(jié)構(gòu),本文采用DEM對(duì)硅酸鋰球床的堆積結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。DEM的基本思想是將每個(gè)顆??醋骶哂匈|(zhì)量、形狀、速度等參數(shù)的獨(dú)立單元,基于不同的接觸模型,在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)確定顆粒的接觸力,并對(duì)顆粒的加速度、速度、位移等參數(shù)進(jìn)行更新,直至球床達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)。計(jì)算流程如圖1所示。
圖1 DEM計(jì)算流程Fig.1 Simulation procedure of DEM
DEM計(jì)算程序采用PFC3D,所需的硅酸鋰顆粒物性參數(shù)列于表1[3]。圓柱形球床工業(yè)應(yīng)用廣泛,其填充結(jié)構(gòu)也有較成熟的研究,在球床直徑與顆粒直徑比小于10時(shí),壁面效應(yīng)會(huì)對(duì)球床填充率有較大影響[13-15],因此本研究中設(shè)定計(jì)算模型為半徑6.5 mm、高度9.0 mm的圓柱體,初始時(shí)刻在圓柱體頂部生成位置隨機(jī)的硅酸鋰顆粒,隨后硅酸鋰顆粒在重力作用下落入圓柱體內(nèi)部,顆粒-顆粒與顆粒-壁面間接觸力的確定基于Hertz接觸模型[16]。
表1 用于球床堆積模擬的硅酸鋰物性參數(shù)Table 1 Main parameter of Li4SiO4for DEM simulation
經(jīng)多次迭代后球床達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài),得到氚增殖球床隨機(jī)堆積結(jié)構(gòu),如圖2所示。
圖2 硅酸鋰球床離散堆積模型Fig.2 Structure model of Li4SiO4 pebble bed
球床模型共模擬了1 348個(gè)硅酸鋰顆粒,總體堆積率為59%,球床內(nèi)徑向孔隙率驗(yàn)證多采用Klerk提出的徑向孔隙率分布經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[17]:
(1)
其中:εr為徑向孔隙率;R=(r-rc)/d為無(wú)量綱距離,r為測(cè)點(diǎn)與圓柱體中軸距離(0≤r≤rc),rc為圓柱體半徑,d為顆粒粒徑;εb為球床中心平均孔隙率。
模型徑向孔隙率分布與Klerk關(guān)系式的對(duì)比如圖3所示。由圖3可知,模型徑向孔隙率分布與經(jīng)驗(yàn)值符合良好,可認(rèn)為DEM計(jì)算得到的球床堆積結(jié)構(gòu)真實(shí)合理。
圖3 徑向孔隙率分布Fig.3 Radial porosity distribution
1) CFD模型重建
采用有限元計(jì)算軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行氚在球床結(jié)構(gòu)內(nèi)的等效擴(kuò)散系數(shù)及吹掃氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬。COMSOL除了可視化建模,其提供的方法功能也可運(yùn)行COMSOL自己開(kāi)發(fā)的類JAVA語(yǔ)法命令流實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模,同時(shí)COMSOL提供了與MATLAB的LiveLink接口[18],可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及命令流的實(shí)時(shí)交互。因此本文基于MATLAB,讀取DEM計(jì)算得到的穩(wěn)定堆積狀態(tài)下硅酸鋰顆粒的位置坐標(biāo),并通過(guò)LiveLink接口實(shí)現(xiàn)在COMSOL內(nèi)顆粒幾何結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。模型重構(gòu)流程如圖4所示。
圖4 COMSOL幾何重建流程Fig.4 Pebble bed structure rebuilding procedure in COMSOL
重建的CFD計(jì)算模型如圖5a所示,球床在軸向設(shè)置了相應(yīng)的進(jìn)出口段以減小氣體流動(dòng)的出入口效應(yīng)。通過(guò)布爾運(yùn)算抽取球床內(nèi)的復(fù)雜流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在網(wǎng)格劃分時(shí)顆粒接觸位置網(wǎng)格變形較大,因此需對(duì)模型內(nèi)顆粒間接觸進(jìn)行處理。常用于球床顆粒間接觸的處理方法有縮徑法[19]、擴(kuò)徑法[20]、剖切法[21]、搭橋法[22]等??s徑法的思路是通過(guò)減小顆粒半徑以避免顆粒間的點(diǎn)接觸,擴(kuò)徑法、搭橋法的思路是將點(diǎn)接觸擴(kuò)大為面接觸以降低網(wǎng)格劃分難度。其中搭橋法最大程度地保留了球床顆粒間的接觸信息,且用于搭橋的圓柱體半徑一般小于顆粒半徑的1/10,對(duì)球床的孔隙率分布影響極小,因此本文采用搭橋法處理顆粒間接觸,處理后的顆粒間接觸如圖5b所示。
a——重建的COMSOL模型;b——搭橋法處理的顆粒接觸圖5 重建的COMSOL模型與處理后的顆粒接觸Fig.5 Rebuild model in COMSOL and particle contact after treatment
2) 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證
氦冷固體包層采用氦氣作吹掃氣體,運(yùn)行壓力為101 kPa。以流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算為例,計(jì)算模型采用速度入口、壓力出口,內(nèi)部顆粒壁面及圓柱容器壁面為無(wú)滑移邊界,在吹掃氣體流速范圍(0.1~2.0 m/s)內(nèi)Re均處于層流模型適用范圍,因此計(jì)算模型采用層流穩(wěn)態(tài)計(jì)算。模型采用四面體網(wǎng)格,分別劃分了224萬(wàn)、292萬(wàn)、326萬(wàn)與401萬(wàn)4套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,入口流速0.1 m/s下的球床壓降計(jì)算結(jié)果列于表2。由表2可知,當(dāng)網(wǎng)格量大于326萬(wàn)后壓降計(jì)算結(jié)果差別很小(相對(duì)誤差小于1%),因此本文采用網(wǎng)格量為326萬(wàn)的計(jì)算結(jié)果作為分析對(duì)象,其網(wǎng)格劃分示意圖如圖6所示。
表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Table 2 Mesh independence verification
氚在氦氣中的自由擴(kuò)散系數(shù)由Chapman-Enskog公式計(jì)算:
(2)
其中:k為玻爾茲曼常數(shù);Tg為氣體溫度;M為等效摩爾質(zhì)量;ni、nj分別為組分i、j的原子數(shù)密度;ε0為修正因子;Ωi,j為擴(kuò)散碰撞積分因子,詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。593 K下,氚在氦氣中的擴(kuò)散系數(shù)為1.78×10-4m2/s。
在球床結(jié)構(gòu)下,復(fù)雜曲折的內(nèi)部區(qū)域使氣體分子平均輸運(yùn)路徑增加,因此若使用多孔介質(zhì)模型對(duì)氚增殖球床進(jìn)行氚的輸運(yùn)行為模擬,需對(duì)氚在氦氣中的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行修正。具體計(jì)算流程如下:1) 建立帶有入口段和出口段的球床隨機(jī)堆積模型;2) 物理場(chǎng)采用稀物質(zhì)傳遞場(chǎng),在入口段和出口段設(shè)定濃度邊界;3) 對(duì)稀物質(zhì)傳遞場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算;4) 由通量連續(xù)條件,得到球床段等效擴(kuò)散系數(shù)。
穩(wěn)態(tài)下氚濃度分布如圖7所示,計(jì)算模型入口段、球床段、出口段通量連續(xù),即:
圖7 穩(wěn)態(tài)下氚濃度分布Fig.7 Concentration of tritium in pebble bed under steady state
J入口段=J球床段=J出口段
(3)
由Fick定律,可得球床段氚的等效擴(kuò)散系數(shù):
(4)
其中:D為氚在氦氣中的擴(kuò)散系數(shù);Deff為球床結(jié)構(gòu)下氚的等效擴(kuò)散系數(shù);ΔcT為各段氚濃度差值;Δx為各段長(zhǎng)度。因此,若采用多孔介質(zhì)模型對(duì)氚增殖球床進(jìn)行氚輸運(yùn)模擬,球床結(jié)構(gòu)影響下氚在吹掃氣中的等效擴(kuò)散系數(shù)Deff=0.4D。
球床通道內(nèi)流體的流動(dòng)壓降用Ergun方程描述:
(5)
其中:ε為球床孔隙率;μ為氦氣動(dòng)力黏度;dc為球床直徑;ρ為氦氣密度;C1與C2分別為黏性阻力與Forchheimer阻力系數(shù)。層流下,式(5)可簡(jiǎn)化為Blake-Kozeny壓降方程:
(6)
不同入口流速下球床通道內(nèi)流體的流動(dòng)壓降示于圖8,擬合所得Blake-Kozeny方程系數(shù)C1=87。
圖8 不同入口流速下的流動(dòng)壓降Fig.8 Pressure drop under different inlet velocities
吹掃氣體軸向速度分布如圖9所示??煽吹?,球床區(qū)域氣體流速變化劇烈,吹掃氣體不斷經(jīng)歷加速、減速過(guò)程,在孔隙率較大的位置由于流動(dòng)阻力較低,出現(xiàn)氣體流動(dòng)加速現(xiàn)象。在球床內(nèi)部填充較緊實(shí)的區(qū)域顆粒背部氣體流速緩慢,出現(xiàn)較多流動(dòng)遲滯區(qū)(流速小于10-2m/s),在近壁面區(qū)域由于球床壁面效應(yīng),孔隙率較大,流動(dòng)阻力降低,氣體流速較大。
圖9 y=0截面速度云圖Fig.9 Velocity distribution of axial central cross section
為對(duì)球床精細(xì)模型得到的流動(dòng)阻力特性進(jìn)行驗(yàn)證,采用自定義徑向孔隙率的二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行數(shù)值模擬,如圖10a所示,模型尺寸與球床精細(xì)模型保持一致,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格剖分,如圖10b所示。流動(dòng)壓降與多孔介質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果示于圖11,可見(jiàn)二者符合較好。徑向流速分布如圖12所示,呈現(xiàn)與孔隙率分布(圖3)相反的波動(dòng)現(xiàn)象,即在孔隙率較低處流動(dòng)阻力減小,流動(dòng)加速。
圖10 二維軸對(duì)稱多孔介質(zhì)模型Fig.10 Two-dimensional axisymmetric porous media model
圖11 壓降計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of pressure drop calculation results
圖12 徑向流速分布Fig.12 Radial flow velocity distribution
駱貝貝等[11]針對(duì)硅酸鋰球床開(kāi)展了堆內(nèi)輻照環(huán)境下的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn),并與理論值和堆外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明輻照實(shí)驗(yàn)下硅酸鋰球床的等效導(dǎo)熱系數(shù)略低于理論值和堆外實(shí)驗(yàn)值。由于ZBS模型及堆外實(shí)驗(yàn)均基于外加熱流的邊界條件,因此本研究進(jìn)行了外加熱流與內(nèi)熱源兩種工況下的模擬分析。由于提氚氣體(氦氣)流速較低,從保守角度假設(shè)氦氣為靜止?fàn)顟B(tài),為減小模型計(jì)算量及降低壁面效應(yīng)的影響,提取球床內(nèi)部徑向孔隙率變化較低的部分進(jìn)行模擬計(jì)算。模型如圖13所示,藍(lán)色區(qū)域?yàn)楣杷徜囶w粒,灰色區(qū)域?yàn)楹猓捎盟拿骟w網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在顆粒-氦氣及顆粒-顆粒接觸處進(jìn)行局部加密,總網(wǎng)格量達(dá)1 122萬(wàn),網(wǎng)格劃分如圖14所示。
圖13 球床導(dǎo)熱模型Fig.13 Thermal conductivity model of pebble bed
圖14 球床網(wǎng)格劃分示意Fig.14 Schematic view of mesh
1) 外加熱流工況
該工況下模型頂部為加熱面,熱流密度為1 000 W/m2,模型底部為定溫壁面,其余邊界為絕熱邊界。改變模型底部溫度,分別計(jì)算底部溫度為473、573、673、773、873 K時(shí)球床平均溫度對(duì)應(yīng)的等效導(dǎo)熱系數(shù)。由于熱流連續(xù),等效導(dǎo)熱系數(shù)可直接由傅里葉定律計(jì)算:
keff=q″/(?T/?z)
(7)
其中:keff為球床等效導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);q″為模型z方向熱流密度,W/m2;?T/?z為z方向溫度梯度,K/m。對(duì)5種平均溫度對(duì)應(yīng)的等效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行線性擬合,得到:
keff=0.951+2.778×10-4T
(8)
其中,T為球床平均溫度,K。
2) 內(nèi)熱源工況
設(shè)定該工況下硅酸鋰顆粒為體熱源,功率密度為1 MW/m3,模型圓周面為定溫邊界,上下表面為絕熱邊界。同樣進(jìn)行了定溫邊界溫度為473、573、673、773、873 K時(shí)球床平均溫度對(duì)應(yīng)的等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算。由于有內(nèi)熱源工況下球床內(nèi)傳熱路徑復(fù)雜,不滿足熱流連續(xù)條件,因此從導(dǎo)熱控制方程出發(fā)進(jìn)行等效導(dǎo)熱系數(shù)推導(dǎo)。
對(duì)于硅酸鋰顆粒、氦氣,有:
(9)
其中:ks、kf分別為硅酸鋰顆粒與氦氣的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);qv為硅酸鋰顆粒的功率密度,W/m3。
將球床等效為均勻多孔介質(zhì),則球床整體滿足有內(nèi)熱源下的圓柱導(dǎo)熱方程:
(10)
(11)
其中,tw為定溫邊界溫度。對(duì)模型不同半徑處溫度取平均值,可得到平均溫度下的等效導(dǎo)熱系數(shù),經(jīng)線性擬合,有:
keff=0.834+2.818×10-4T
(12)
3) 球床等效導(dǎo)熱系數(shù)分析
Liu等[10]對(duì)采用穩(wěn)態(tài)熱流法對(duì)堆積率為59.7%的硅酸鋰球床的等效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,線性擬合曲線為:
keff=0.753+5.17×10-4T
(13)
駱貝貝等[11]基于CARR堆內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)得到的球床導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為:
keff=0.647+4.074×10-4T
(14)
外加熱流工況、內(nèi)熱源工況、CARR堆內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)、Liu等[10]的穩(wěn)態(tài)熱流實(shí)驗(yàn)得到的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比示于圖15。由圖15可看出,內(nèi)熱源工況下的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)均略低于外加熱流工況下的等效導(dǎo)熱系數(shù),CARR堆內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)最低,可能是由于CARR實(shí)驗(yàn)中硅酸鋰球床堆積率較低(56%),導(dǎo)致球床接觸熱阻相對(duì)較大;而本研究中兩種工況采用相同的球床結(jié)構(gòu),有內(nèi)熱源工況下的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)仍低于外加熱流工況。劉子平等[24]對(duì)高溫氣冷堆采用的包覆型顆粒燃料的等效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo),同樣得到在有內(nèi)熱源情況下燃料球等效導(dǎo)熱系數(shù)低于無(wú)內(nèi)熱源情況下等效導(dǎo)熱系數(shù)。相較于外加熱流工況,在有內(nèi)熱源工況下,球床內(nèi)傳熱工況更加復(fù)雜,外加熱流下的熱阻簡(jiǎn)單并聯(lián)模型并不適用,內(nèi)熱源的存在降低了熱流方向上的溫度差,即增加了熱流方向上的熱阻,導(dǎo)致球床整體等效導(dǎo)熱系數(shù)降低。有內(nèi)熱源工況更符合硅酸鋰球床實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),從保守分析角度,建議球床導(dǎo)熱系數(shù)采用有內(nèi)熱源工況下的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)。
圖15 硅酸鋰球床等效導(dǎo)熱系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.15 Comparison of simulated and experimental results of Li4SiO4 pebble bed
通過(guò)離散單元法生成了硅酸鋰顆粒隨機(jī)堆積模型,并對(duì)球床結(jié)構(gòu)下氚在吹掃氣體內(nèi)的等效擴(kuò)散系數(shù)及吹掃氣體流動(dòng)及球床導(dǎo)熱進(jìn)行了CFD計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明:球床復(fù)雜曲折的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使氣體分子平均輸運(yùn)路徑增加,氚在吹掃氣體內(nèi)的等效擴(kuò)散系數(shù)Deff=0.4D;吹掃氣體在球床內(nèi)的流動(dòng)壓降可由Blake-Kozeny方程預(yù)測(cè),經(jīng)擬合得到Blake-Kozeny方程系數(shù)C1=87;內(nèi)熱源的存在降低了熱流方向上的溫度差,導(dǎo)致球床整體等效導(dǎo)熱系數(shù)低于外加熱流工況下的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)。
本文通過(guò)對(duì)硅酸鋰球床開(kāi)展DEM-CFD耦合計(jì)算,獲得了氚在吹掃氣體內(nèi)的等效擴(kuò)散系數(shù)、吹掃氣體流動(dòng)壓降及球床等效導(dǎo)熱系數(shù)等宏觀參數(shù),可在此基礎(chǔ)上基于多孔介質(zhì)模型對(duì)固態(tài)包層進(jìn)一步開(kāi)展球床傳熱及氚輸運(yùn)行為模擬。此外,本文結(jié)果對(duì)包層氚提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。