两相流大作业

水—水蒸汽两相相变界面的数值模拟

——两相流动与热物理大作业

姓名张蛟龙_______

学号201328013524021__

班级物理308_____

指导教师刘捷__

完成时间_2014.5.8_

水—水蒸汽两相相变界面的数值模拟报告

一．文献综述

作为化石资源的替代产品，核能的高效，清洁一直备受青睐，然而光环之下，核废料的处理不禁让人黯然神伤。强致命性辐射，动辄千年的半衰期，惯用的办法只能是深埋，等待下一代的聪明才智。与此同时，核废料的利用和加速衰减一直是核能大国们的研究重点。欧洲的ADS系统第六代散裂靶模型计划的目标就是要验证高水平的核废料转换的可行性。散裂靶作为连接加速器和核废料的装置需要工作在高辐射和高热流密度的条件下，因此散裂靶的设计是ADS系统研制最有挑战的部分。由加速器产生的高能质子流轰击靶核产生中子作为外源中子驱动和维持次临界堆的运行。散裂靶在极小的空间内需承受极大的热负荷，质子束通道与靶核的自由面相邻更加剧了设计难度。受材料限制，流体的温度不能超过550度，因此必须保证流体维持在一定的流量。但同时又要考虑高流速带来的飞溅和回流造成的局部温度过高。这一装置在水作为散裂靶的实验中获得了成功。二．问题描述

2.1.模型及尺寸

图1、欧洲液态金属散裂靶V0.10示意图[1]

如图1所示的欧洲加速器驱动次临界堆（ADS ）之无窗散裂靶示意图，液态铅铋合金从上方管间流下并汇合，形成两相界面，质子束由中间的真空管进入打在自由面上。此次模拟用的是水，详细物理背景见文献[1]。

2.2. 控制方程

连续性方程

动量方程 能量方程

三． Openfoam 求解

有关Openfoam 的下载和安装在老师给的安装指导的推荐网站上有详细的操作，在此就不赘述。网址为：/download/ubuntu.php 。

3.1. OpenFoam 求解简述

Openfoam 是一款基于linex 的开源可编程软件，其求解过程的关键是三个文件夹的设置，即0，constant 和system 。0文件夹里存放的是初始条件和边界条件设置文件；constant 文件夹里存放的是网格文件，物性参数和求解器模型；system 文件夹里存放的是求解过程控制，差分格式和代数方程求解器设置文件。以下就三个文件的设置展开简述初始条件、边界条件、物性参数，网格个数、疏密设置差分格式、界面捕获算法、气蚀模型等的选择和设置。

3.2. 0文件夹

包含有5个文件，分别为alph-water ，p_rgh ，U ，epsilon ，k ，详细设置见附录1，这里只着重强调在大作业完成过程中几个曾经连续考虑的点。

首先是参数的量纲设置。在Openfoam 文件中常会见到这样一行代码：dimensions [0 0 0 0 0]，这便是量纲，单位顺序依次是 [质量，长度，时间，温度，物质的量，电流，光强]。

其次是边界条件和初始条件的设置。在alph-water 中，alpha 代表水所占比例，参照userguide ，1时表示全部为液相，0时表示全部为气相。初始内部场的设置均为1，即起始时刻，散裂靶内部充满水。水入口是边界类型为“定值”，即0)(=∂∂+∂∂i i u x t ρρi b j

ij

i j i j i F x x p x u u t u +∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂τρρετδρρ+=+-++∂∂++∂∂j j b j c ij k i i ij i i j j i i u F Q u p u u u e u x u u e t ])2

1([)]21([

fixedValue ；上下两个出口的边界类型为“进出口”，即inletOutlet 。在p_rgh 中初始内部场设置值为5330，为压力较大的出口的压力值，查阅资料推荐内部场使用大值以减小汽蚀。质子束通道理论上应为真空，但考虑到自由面上水的汽化，选定了水的饱和压力2330以减小汽化，保证系统正常工作。文献显示上下两个出口压力差选定在2000到3000之间，此次试验选用差值为3000，即下面出口值设定为5330，也就是前面提到的出场值。在U 中，因为速度时矢量，在设定时需要根据网格的情况处理。初始内部场设定为uniform （0 0 0），即均匀的静止态。进水口的类型为fixedValue ，且有一个1m/s 的向下流的速度。两个出口的类型为pressureInletOutletVelocity ，即由压力决定速度的边界条件。在epsilon 和k

中，参照userguide 中给出的公式：)(212'2'2'z y x U U U k ++=；l

k C 5.175.0με=，U U 100

5'= D l 007.0=，其中D 为等效直径，2221D D D -=，1D 2D 分别为散裂靶上口总的直径和质子入口的直径，计算得k=0.0025，ε=0.00327。参照苏军伟的书，水入口类型为fixedValue(定值)，两个出水口的类型为inletOutlet ，而墙的类型为epsilonWallFunction 和kqRWallFunction 。

3.3. constant 文件夹

首先介绍网格绘制。网格绘制有两种方法，在大作业探索过程中都进行了尝试。第一，关于Gambit 直接绘制三维网格然后导进Openfoam 进行计算。网格数大概为3万多，导入的操作过程如下：在Openfoam 中建立一个文件夹，注意此文件夹必须包括system 这个文件夹，因为导入过程需要system 中所含的controlDict 文件，否则将无法导入，可以先“借用”其中任意一个例子的system ，后期计算时再根据实际情况更改。将网格文件复制到该文件夹下，在控制终端输入命令：

fluentMeshToFoam ni.msh -scale 0.001

其中fluentMeshToFoam 为导入命令，ni.msh 为网格名称，-scale 0.001的作用是把Gambit 中默认为毫米的单位改成Openfoam 中默认的以米为单位。单位转换的操作对初学者尤为要注意，开始的很多次尝试失败的原因就是忽略了两个软件之间单位的不相容性。导入完成后会生成Polymesh 的文件夹，所包含的正是全部的网格信息。第二，关于Gambit 绘制二维网格后导入Openfoam 进行旋转。