高温液态金属试验回路中电磁流量计的三维热工数值模拟计算

邹佳讯 郭春秋 毕可明

（中国原子能科学研究院）

在未来深空探测领域中，液态金属冷却反应堆可用于提供动力支持，目前各国正在广泛开展这方面的研究［1］。 但在反应堆应用之前需要在地面建立系统级或部件级试验对它进行可行性验证，为此研究人员设计了一套高温液态金属试验回路［2］，回路中设有电磁流量计来测量液态金属NaK的流量。然而，现阶段设计的电磁流量计中的某些部件无法长期耐受100℃以上的高温， 为了确保高温液态金属试验回路长周期运行期间电磁流量计的性能不受高温环境的影响，需要对流量计进行冷却处理。 为此，设计人员在高温管道与流量计之间设计了隔热材料和冷却盘管，笔者利用数值模拟技术对电磁流量计进行三维热工计算，以评价其运行可靠性。

1 计算模型

1.1 几何模型

高温液态金属试验回路如图1所示［2］，该回路位于一个大的真空室内，电磁流量计（图2）安装在电磁泵和电加热线圈之间的管路上，主要由永磁体、铜导体、隔热材料及冷却盘管等组成。 该试验回路中， 液态金属NaK的最高试验温度可达500℃。

图1 高温液态金属试验回路

图2 电磁流量计模型

1.2 网格划分

利用GAMBIT软件采取结构化的网格划分方式对电磁流量计三维模型进行网格划分 （图3），保证在提高网格质量的同时最大限度地降低网格数目，网格独立性验证后最终使用的网格数目约100万。

图3 电磁流量计网格划分

1.3 计算方法

通过数值模拟方法［3］可以显示并分析流动和传热现象， 并可以得到相应过程的最佳设计参数，为试验提供指导，节省了以往试验所需的人力、物力和时间。 随着计算机软硬件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用计算流体动力学（CFD）软件，为解决实际工程问题 （如特殊仪器仪表仿真模拟等）提供了新方法［4～10］。

电磁流量计部件涉及冷却水流动与换热、固体域热传导等控制方程，冷却水可视为不可压缩湍流流动， 采用标准k-ε模型标准壁面函数方法，得到冷却水流动换热基本控制方程分别如下：

式中 Cp——比热容；

fexit——动量守恒方程的广义源项；

h——显焓；

p——流体微元体上的压力；

q——体积热源；

St——能量源项；

T——温度；

t——时间变量；

u——流体速度；

ρ——密度；

λ——导热系数；

μ——流体黏度；下角

i、j、k——1、2、3，代表笛卡尔坐标系下的3个方向。

方程（1）～（4）可使用FLUENT软件在三维网格空间中进行离散求解。

边界条件主要有热边界和冷却边界两种。 其中热边界为液态金属温度，设定为试验时的最高温度500℃（773.15K）， 外围正对真空室内壁的表面设定为70℃； 冷却边界主要有冷却管道内冷却介质的入口温度（设定为30℃/303.15K）和入口流速或流量（约3m/s或0.037 5kg/s）。

2 计算结果分析

2.1 盘管内无冷却时

盘管内无冷却时电磁流量计关键部位的温度剖面云图如图4所示，轴向低、中、高3个位置上的温度剖面云图如图5所示。 可以看出，靠近高温液态金属管路外壁一侧的最高温度在200℃左右，故仅靠隔热层是无法满足电磁流量计环境温度低于100℃的要求的。

图4 盘管内无冷却时电磁流量计关键部位的温度剖面云图

图5 电磁流量计关键部位轴向低、中、高3个位置的温度剖面云图

2.2 盘管有冷却时

盘管有冷却时电磁流量计温度云图如图6所示， 其中最高温度为设定的液态金属温度773.15K。 电磁流量计关键部位的三维温度场如图7所示。 可以看出，有了盘管内的冷却水，借助铜导体良好的热导率，可以把电磁流量计的最高温度维持在80℃左右， 满足低于100℃的设计要求。

图6 盘管有冷却时电磁流量计温度云图

图7 电磁流量计关键部位的三维温度场

3 结束语

笔者以电磁流量计为研究对象，采取符合实际的边界条件，通过数值模拟方法得到了电磁流量计关键结构的温度场，关键部位的最高温度在80℃左右， 确保了高温液态金属试验回路长周期运行期间电磁流量计的性能不受高温环境的影响，保证了运行的可靠性。