文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123403
球床通道内CFD网格适用性分析
张楠,孙中宁,王建军,葛增芳
(哈尔滨工程大学核科学与技术学院核安全与仿真技术国防重点学科实验室,哈尔滨 150001)
(Tel: 0451-82569655, E-mail: zhongningsun@)
摘要:为了研究球床通道内网格效应对CFD计算精度的影响。本文采用两类网格划分形式,对体心堆积结构球床通道内层流和湍流下的阻力和传热特性进行了数值计算。通过对比发现:在层流时,流道内的整体网格密度是决定阻力和传热特性计算结果精度的主要因素,在相同条件下,阻力对网格密度的依赖程度大于传热。而湍流时,决定阻力和传热特性计算结果精度的主要因素是近壁面网格数量,通过构建贴体附面层网格,能够在保证计算精度的条件下,有效地控制整体网格数量。
关键词:球床通道;数值计算;网格效应;流动传热
0 前言
球床通道主要应用于化学工程中的催化床反应器以及核工程中的球床式反应堆。由于其内部空间具有很强的不均匀性和随机性特点,使得球床通道内流动和传热特性异常复杂,而现有的实验手段又不能有效的对其内部进行观察和研究。随着CFD技术的发展,越来越多的研究者开始通过CFD方法对球床通道内部特性进行探究[1-4]。
网格划分一直是球床通道CFD研究的关键问题。由于通道内球体曲面形成的复杂弯曲流道,以及存在于球体间和球体与管壁间接触的狭缝区域,造成网格尺寸很难选择。一方面若满足最小空间的网格需求,会导致整体网格数量剧增,计算成本提高,模拟尺寸受限。早期的球床CFD研究,由于受当时计算机软、硬件的限制,只能通过减小D/d(D:管径;d:球径)和采用规则排列形成对称结构来实现球床的径向和轴向的缩减,来降低网格数量。另一方面若增大网格尺寸,又会使网格质量降低,局部网格过于稀疏,造成计算结果准确度下降。虽然现有商业CFD前处理软件可实现在大空间和小空间之间网格自由过渡和局部加密功能,但对于大D/d(>10)随机填充球床通道,仍由于结构过于复杂而无法实现网格划分。
因此选择合适的网格划分策略,确定合理的网格尺寸、类型和数量,对保证计算结果的准确性,并在现有计算条件下,扩大模拟范围,从而进一步推进球床CFD研究进展都是非常迫切和重要的。本文在对球床通道内层流和湍流两种流动状态下的阻力和传热特性进行网格适用性分析,从而确定合理的网格划分准则,为后续的球床通道CFD研究提供依据和指导。
1 计算模型及数值方法
为了能够在大范围条件下考虑网格效应的影响,选取与随机排列最为接近的体心规则排列作为模拟对象。为了消除管壁的影响,四周在计算时采用对称结构,见图1。
图1 通道结构图
球床通道分为三部分:入口段(126mm),填充段()和出口段(350mm),其中填充段共计球层为11层,球径为28mm。
采用Gambit ,对于球体间的接触问题,本文采用采用搭桥法进行处理,详细的划分方法见文献[5]。入口段和出口段,采用六面体网格。填充段采用两类不同的网格划分形式。其中,第一类4套网格采用整体四面体网格加密方式;第二类3套网格,分别在第一类相应面网格的基础上,首先进行球面附面层网格的划分,而后采用四面体网格划分。由于在采用搭桥法处理接触问