本文針對單相水為工質(zhì)的水平圓型管道實驗段進(jìn)行等比例建模,采用ICEM軟件對幾何模型構(gòu)建六面體全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;以FLUENT平臺上提供的模型為基礎(chǔ),依據(jù)水平管道的搖擺運動方式構(gòu)造非慣性坐標(biāo)系下的外力模型,以此建立適用于搖擺條件下水平管道內(nèi)單相水流動與傳熱的數(shù)理模型。根據(jù)理論分析添加動量源項,編寫自定義函數(shù),并將搖擺運動規(guī)律與動量源項表達(dá)式加載到FLUENT接口上。對搖擺條件下水平圓管開展了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究,分別采用具有時均化方法的兩方程k-ε模型、七方程RSM模型、以及具有非時均化方法的大渦各亞格子模型,并將各計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,最后確定了最佳模型即大渦WMLES S-Omega模型。在驗證數(shù)學(xué)物理模型可靠性的基礎(chǔ)上,對搖擺中的各工況下水平管道內(nèi)單相流體進(jìn)行流動與換熱的LES數(shù)值模擬研究。本文分別對靜止和搖擺工況進(jìn)行了大渦模擬,分析了靜止工況和搖擺工況下管內(nèi)流體的流場分布以及瞬時速度場的變化規(guī)律,并進(jìn)行了比較。通過受力分析推導(dǎo)出搖擺條件下管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)公式,重點分析了搖擺條件下測試段內(nèi)的壓降組成以及各瞬時壓降的變化規(guī)律。采用壁面恒熱流密度邊界條件,研究了搖擺運動對傳熱特性的影響。分析了管道壁面、近壁面流體的瞬時溫度變化規(guī)律以及平均對流換熱系數(shù)分布,最后對靜止和搖擺條件下出口流體的溫度進(jìn)行了比較。重點研究了搖擺周期、搖擺幅值、雷諾數(shù)以及搖擺半徑等因素對流動與傳熱特性的影響。數(shù)值仿真計算結(jié)果表明:搖擺條件下,瞬時摩擦阻力系數(shù)、瞬時速度和瞬時溫度隨時間周期性波動,橫截面上與搖擺軸平行的水平線上各位置的瞬時速度和瞬時溫度波動周期為搖擺運動周期的一半,其他位置的瞬時速度和瞬時溫度波動周期都與搖擺周期相同,瞬時速度和溫度的波幅從橫截面頂?shù)變啥讼蚪孛嬷虚g逐漸減小;當(dāng)其他因素相同時,隨著搖擺振幅的增大,速度波動幅度、測試段驅(qū)動壓降、重位壓降、切向壓降、離心壓降的峰值和波動幅值、摩擦阻力系數(shù)的峰谷值和平均值都逐漸增大,而壁面瞬時溫度值、壁面溫度波動幅值、時均值卻都減小;當(dāng)其他因素相同時,隨著搖擺周期的增大,頂部壁面瞬時溫度的最大值、壁面溫度變化幅值與時均值都增大,而各監(jiān)測點平均速度、速度波幅、測試段驅(qū)動壓降的變化范圍、切向壓降、離心壓降以及摩擦阻力系數(shù)的峰谷值及平均值都減小;搖擺條件下隨著流體雷諾數(shù)的增大,測試段內(nèi)摩擦阻力系數(shù)和頂部壁面溫度的波動幅值和平均值都減小。此外還發(fā)現(xiàn)搖擺半徑越大,其摩擦阻力系數(shù)的波動范圍越大,而搖擺半徑對水平管內(nèi)傳熱基本沒有影響,這可以從一定程度上說明搖擺運動下科氏慣性力是影響水平圓管內(nèi)傳熱的主要因素。搖擺條件下水平管道內(nèi)會出現(xiàn)二次流,二次流是造成搖擺條件下流體流動傳熱與靜止工況區(qū)別的重要因素。在海洋條件下,搖擺運動會產(chǎn)生周期性變化的附加慣性力,而附加慣性力的存在會引起流動與傳熱邊界層的變化,最后造成了水平圓型通道內(nèi)流動阻力以及傳熱系數(shù)的變化。
【學(xué)位單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK124
【部分圖文】：

Ｋｒａｕｓｅ提出核電領(lǐng)域的下一個年，是ＳＭＲ技術(shù)百花齊放的十年的觀點。將小堆技術(shù)??應(yīng)用在船舶上或者海上油氣浮動平臺上，就形成了浮動核電站，其作為一種靈活、安??全、經(jīng)濟(jì)的核電新形式【７】，能夠彌補(bǔ)海上能源短缺的問題，可以為海上油氣開發(fā)及邊??遠(yuǎn)島嶼供應(yīng)電力、油氣、供熱，淡化海水等［８］。浮動式核電站具有用途廣泛性、使用??靈活性以及造價低廉性［９］等特點，已日漸成為國際上核能發(fā)展的新趨勢。世界各核電??強(qiáng)大國家均踴躍研發(fā)這類核電站。早在１９６３年，美國軍方就成功將核電裝置安裝在??船舶上克服了電荒困難，俄羅斯率先公開報道計劃建造浮動式核電廠為北極供給能??源，從籌劃、動工直至２０１６年７月，世界上第一臺海上浮動核電站，俄羅斯“羅蒙諾??索夫院士”號入海試驗，法國研制了下沉式海上浮動核電站Ｈｅｘｂｌｕｅ，韓國建立了?ＧＢＳ??式浮動核電站［１（），１１］，肯尼亞在核電基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)方面取得顯著進(jìn)展并有意與俄羅斯合??作建設(shè)浮動式核電廠［１２］，西屋公司、巴威公司、紐斯凱爾公司、霍爾臺克公司都在積??極研發(fā)小型堆項目［ｕ］。在這種國際大背景以及我國海上能源需求下，我國也積極研發(fā)??小型海上浮動堆以及海上核動力平臺，國家發(fā)展與改革委員會己在２０１６年復(fù)函同意??中核及中廣核各自申報的ＡＣＰ１００小型核電站及ＡＣＰ１００Ｓ浮動核電站并將其列入國??家“十三五”規(guī)劃【１４＿１６】。??

家“十三五”規(guī)劃【１４＿１６】。??纖論??（ａ）俄羅斯ＫＬＴ－４０Ｓ反應(yīng)堆裝置示意圖（ｂ）俄羅斯浮動式反應(yīng)堆圖【１７１??圖１－２俄羅斯反應(yīng)堆圖??Ｓ?１－２?Ｔｈｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｎｕｃｌｅａｒ?ｐｏｗｅｒ?ｐｌａｎｔ?ｒｅａｃｔｏｒ?ｏｆ?Ｒｕｓｓｉａ??（ａ）?ＫＬＴ－４０Ｓ?ＮＰＰ?ｒｅａｃｔｏｒ；?（ｂ）?Ｆｌｏａｔｉｎｇ?ＮＰＰ?ｒｅａｃｔｏｒ??在學(xué)術(shù)界，浮動式核電站的研究也是炙手可熱的課題，在國際上具有影響力的多??個學(xué)術(shù)會議上設(shè)有ＳＭＲ的專題研討。在ＡＳＭＥ舉辦的小型堆專題會上，麻省理工學(xué)??院提出與“羅蒙諾索夫院士號核電廠”相比離海岸更遠(yuǎn)更大規(guī)模的新型浮動式核電??２??

２．１搖擺條件下的物理模型??海上平臺和船會在波浪和風(fēng)速等海洋環(huán)境的影響下運動不穩(wěn)定，其運動方式按平??動和轉(zhuǎn)動有６個自由度的運動，如下圖２－１所示，由于相對于傾斜和垂直振蕩而言，??搖擺運動更繁雜，傾斜僅僅造成了幾何位置的變化，垂直的振蕩使重力加速度場發(fā)生??變化，而搖擺運動是一類往復(fù)的變速運動，不僅具備傾斜、垂蕩的特點，還引入了三??種附加加速度，即離心加速度、切向加速度和科氏加速度，三種加速度的大小、頻率??和方向各有不同，且隨著時間其大小、方向會發(fā)生變化［４５］。本文的研宄對象為海洋條??件搖擺運動下水平圓管內(nèi)流動與傳熱特性。??？??Ｙａｗｉｎｇ??Ｓｕｒｇｉｎｇ??Ｓｐｙｉｎｇ?＾?／?ａ?Ｒ〇丨丨ｉｎ．９??Ｊｆ?ｉ／?Ｈｅａｖｉｎｇ??圖２－１船的６個自由度的運動示意圖［６２】??Ｆｉｇ．２－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?６?ｄｅｇｒｅｅｓ?ｏｆ?ｆｒｅｅｄｏｍｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｈｉｐ??海洋條件下實際的運動方式比較復(fù)雜，是６個自由度耦合的結(jié)果。為了對海洋條??件下的運動對流體流動與傳熱的影響有一個較為清晰的認(rèn)識，通常研究單個自由度運??１３??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2873580