能源數值平臺致力于發布法國電力能源的相關信息、工業案例以及數值模擬軟件的推廣使用,即將推出系列篇章,逐一介紹工業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氣體分層現象,驗證了低馬赫數是解決這類問題的有效算法,為空氣射流領域的研究鋪墊了道路。在附錄中列舉了其他輕質氣體擴散現象的模擬。

1.軟件介紹:

Code_Saturne是一款開源、通用計算流體力學軟件。經過數十年的發展,其計算結果的有效性已經得到充分驗證,軟件本身也已在工業界得到了較為廣泛的應用。同時,軟件由于其自身的開源性,用戶可以按自身需求修改代碼,因此也為研究領域實現和測試新模型新算法提供了良好的研發平臺。

2.案例介紹:

由于氦氣、氫氣密度較低,會在有限空間的頂部聚集。當下方有氣體進入時,會干擾氣層的穩定性。本文模擬氦氣氣層在空氣入射時的分布變化情況。

本文中測試模型所使用的算例為PANDA ST1_7和ST1_10實驗,該組實驗是由國際經合組織核能署主導,隸屬于SETH-2項目。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、穩態可膨脹法、非穩態可膨脹法),氦氣的體積分數隨時間變化情況,得出最優算法。并將Code_Saturne模擬結果與Fluent結果(由PSI提供)進行比較,測試Code_Saturne的準確性。

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

穩態可膨脹:在質量方程中不考慮密度隨時間的變化,但考慮其隨空間的變化。

非穩態可膨脹:在質量方程中考慮密度隨時間的變化。

3.實驗裝置與過程

實驗初始情況如圖所示。在0時刻,罐頂部存在穩定的氦氣-空氣混合分層分布。分層區氣體濃度為40%氦氣和60%空氣。

實驗開始后,空氣由位于壁面附近的噴口豎直向上注入。注入持續12,500秒,注入停止后容器內氣體在浮力作用下繼續流動12,500秒。

模擬時所用網格為規則六面體,網格大小為0.061米,網格總數為198204,計算時間步長為0.05秒。

4.模擬結果及分析

某一時刻氦氣濃度分布示意圖

*OECD為實驗數據曲線,實線為低馬赫數算法曲線

比較發現,采用穩態可膨脹和非穩態可膨脹兩種算法所得到的結果非常不準確,某些結果甚至是錯誤的。同時,在前1,000秒物理時間中,非低馬赫數方法的計算結果出現了明顯的震蕩,說明其計算結果相當不穩定。

與之相比,采用低馬赫數方法的結果曲線平滑、穩定,而且更接近實驗數據。采用低馬赫數方法對計算結果的改善非常顯著。

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

5.案例結論:

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

2.Code_Saturne能夠準確模擬在復雜的流動情況下,流體的濃度、分布隨時間的變化情況。

6.參考文獻

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:其他氫氣擴散相關案例

氫氣的流動分布

氫氣分層的演變

氫氣在空氣射流作用下的分層演變