Code_Saturne 模拟案例：空气射流对稳定氦气层的影响

能源数值平台致力于发布法国电力能源的相关信息、工业案例以及数值模拟软件的推广使用,即将推出系列篇章,逐一介绍工业案例中模拟软件所扮演的重要角色。本期作为系列篇章的第一篇,用Code_Saturne模拟了入射空气破坏轻质气体分层现象,验证了低马赫数是解决这类问题的有效算法,为空气射流领域的研究铺垫了道路。在附录中列举了其他轻质气体扩散现象的模拟。

1.软件介绍:

Code_Saturne是一款开源、通用计算流体力学软件。经过数十年的发展,其计算结果的有效性已经得到充分验证,软件本身也已在工业界得到了较为广泛的应用。同时,软件由于其自身的开源性,用户可以按自身需求修改代码,因此也为研究领域实现和测试新模型新算法提供了良好的研发平台。

2.案例介绍:

由于氦气、氢气密度较低,会在有限空间的顶部聚集。当下方有气体进入时,会干扰气层的稳定性。本文模拟氦气气层在空气入射时的分布变化情况。

本文中测试模型所使用的算例为PANDA ST1_7和ST1_10实验,该组实验是由国际经合组织核能署主导,隶属于SETH-2项目。氦气作为轻密度气体,空气为入射气体,利用Code_Saturne模拟在三种不同的算法下(低马赫、稳态可膨胀法、非稳态可膨胀法),氦气的体积分数随时间变化情况,得出最优算法。并将Code_Saturne模拟结果与Fluent结果(由PSI提供)进行比较,测试Code_Saturne的准确性。

注:
低马赫数:通过拆分实际压力(水力学压力和热力学压力)并在质量方程的压力修正步中添加可膨胀项的方式,能够较准确地处理可压缩流问题。

稳态可膨胀:在质量方程中不考虑密度随时间的变化,但考虑其随空间的变化。

非稳态可膨胀:在质量方程中考虑密度随时间的变化。

3.实验装置与过程

实验初始情况如图所示。在0时刻,罐顶部存在稳定的氦气-空气混合分层分布。分层区气体浓度为40%氦气和60%空气。

实验开始后,空气由位于壁面附近的喷口竖直向上注入。注入持续12,500秒,注入停止后容器内气体在浮力作用下继续流动12,500秒。

模拟时所用网格为规则六面体,网格大小为0.061米,网格总数为198204,计算时间步长为0.05秒。

4.模拟结果及分析

某一时刻氦气浓度分布示意图

*OECD为实验数据曲线,实线为低马赫数算法曲线

比较发现,采用稳态可膨胀和非稳态可膨胀两种算法所得到的结果非常不准确,某些结果甚至是错误的。同时,在前1,000秒物理时间中,非低马赫数方法的计算结果出现了明显的震荡,说明其计算结果相当不稳定。

与之相比,采用低马赫数方法的结果曲线平滑、稳定,而且更接近实验数据。采用低马赫数方法对计算结果的改善非常显著。

由图象可以看出,Code_Saturne和Fluent模拟效果相近,模拟曲线均在实际曲线上下波动,拟合效果较好。

5.案例结论:

1.低马赫数方法被验证可以较为准确地模拟由竖直入射空气引起的低密度气体分层破坏现象。通过考虑低马赫数下气体的可压缩性,解决了以往方法不能准确模拟浮力射流现象的问题。

2.Code_Saturne能够准确模拟在复杂的流动情况下,流体的浓度、分布随时间的变化情况。

6.参考文献

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

附录:其他氢气扩散相关案例

氢气的流动分布

氢气分层的演变

氢气在空气射流作用下的分层演变