Code_Saturne 模擬案例：空氣射流對(duì)穩(wěn)定氦氣層的影響

能源數(shù)值平臺(tái)致力于發(fā)布法國電力能源的相關(guān)信息、工業(yè)案例以及數(shù)值模擬軟件的推廣使用,即將推出系列篇章,逐一介紹工業(yè)案例中模擬軟件所扮演的重要角色。本期作為系列篇章的第一篇,用Code_Saturne模擬了入射空氣破壞輕質(zhì)氣體分層現(xiàn)象,驗(yàn)證了低馬赫數(shù)是解決這類問題的有效算法,為空氣射流領(lǐng)域的研究鋪墊了道路。在附錄中列舉了其他輕質(zhì)氣體擴(kuò)散現(xiàn)象的模擬。

1.軟件介紹:

Code_Saturne是一款開源、通用計(jì)算流體力學(xué)軟件。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,其計(jì)算結(jié)果的有效性已經(jīng)得到充分驗(yàn)證,軟件本身也已在工業(yè)界得到了較為廣泛的應(yīng)用。同時(shí),軟件由于其自身的開源性,用戶可以按自身需求修改代碼,因此也為研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)和測(cè)試新模型新算法提供了良好的研發(fā)平臺(tái)。

2.案例介紹:

由于氦氣、氫氣密度較低,會(huì)在有限空間的頂部聚集。當(dāng)下方有氣體進(jìn)入時(shí),會(huì)干擾氣層的穩(wěn)定性。本文模擬氦氣氣層在空氣入射時(shí)的分布變化情況。

本文中測(cè)試模型所使用的算例為PANDA ST1_7和ST1_10實(shí)驗(yàn),該組實(shí)驗(yàn)是由國際經(jīng)合組織核能署主導(dǎo),隸屬于SETH-2項(xiàng)目。氦氣作為輕密度氣體,空氣為入射氣體,利用Code_Saturne模擬在三種不同的算法下(低馬赫、穩(wěn)態(tài)可膨脹法、非穩(wěn)態(tài)可膨脹法),氦氣的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化情況,得出最優(yōu)算法。并將Code_Saturne模擬結(jié)果與Fluent結(jié)果(由PSI提供)進(jìn)行比較,測(cè)試Code_Saturne的準(zhǔn)確性。

注:
低馬赫數(shù):通過拆分實(shí)際壓力(水力學(xué)壓力和熱力學(xué)壓力)并在質(zhì)量方程的壓力修正步中添加可膨脹項(xiàng)的方式,能夠較準(zhǔn)確地處理可壓縮流問題。

穩(wěn)態(tài)可膨脹:在質(zhì)量方程中不考慮密度隨時(shí)間的變化,但考慮其隨空間的變化。

非穩(wěn)態(tài)可膨脹:在質(zhì)量方程中考慮密度隨時(shí)間的變化。

3.實(shí)驗(yàn)裝置與過程

實(shí)驗(yàn)初始情況如圖所示。在0時(shí)刻,罐頂部存在穩(wěn)定的氦氣-空氣混合分層分布。分層區(qū)氣體濃度為40%氦氣和60%空氣。

實(shí)驗(yàn)開始后,空氣由位于壁面附近的噴口豎直向上注入。注入持續(xù)12,500秒,注入停止后容器內(nèi)氣體在浮力作用下繼續(xù)流動(dòng)12,500秒。

模擬時(shí)所用網(wǎng)格為規(guī)則六面體,網(wǎng)格大小為0.061米,網(wǎng)格總數(shù)為198204,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.05秒。

4.模擬結(jié)果及分析

某一時(shí)刻氦氣濃度分布示意圖

*OECD為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線,實(shí)線為低馬赫數(shù)算法曲線

比較發(fā)現(xiàn),采用穩(wěn)態(tài)可膨脹和非穩(wěn)態(tài)可膨脹兩種算法所得到的結(jié)果非常不準(zhǔn)確,某些結(jié)果甚至是錯(cuò)誤的。同時(shí),在前1,000秒物理時(shí)間中,非低馬赫數(shù)方法的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了明顯的震蕩,說明其計(jì)算結(jié)果相當(dāng)不穩(wěn)定。

與之相比,采用低馬赫數(shù)方法的結(jié)果曲線平滑、穩(wěn)定,而且更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用低馬赫數(shù)方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的改善非常顯著。

由圖象可以看出,Code_Saturne和Fluent模擬效果相近,模擬曲線均在實(shí)際曲線上下波動(dòng),擬合效果較好。

5.案例結(jié)論:

1.低馬赫數(shù)方法被驗(yàn)證可以較為準(zhǔn)確地模擬由豎直入射空氣引起的低密度氣體分層破壞現(xiàn)象。通過考慮低馬赫數(shù)下氣體的可壓縮性,解決了以往方法不能準(zhǔn)確模擬浮力射流現(xiàn)象的問題。

2.Code_Saturne能夠準(zhǔn)確模擬在復(fù)雜的流動(dòng)情況下,流體的濃度、分布隨時(shí)間的變化情況。

6.參考文獻(xiàn)

B. Hou et. al., CFD simulation with Code_Saturne of the light gas stratification erosion by a vertical air gas injection using a low mach number algorithm,23rd International Conference on Nuclear Engineering,ICONE23-1227

附錄:其他氫氣擴(kuò)散相關(guān)案例

氫氣的流動(dòng)分布

氫氣分層的演變

氫氣在空氣射流作用下的分層演變