STAR-CCM+与一维用户程序耦合方法

2020年11月

第41卷第11期

哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报

JournalofHarbinEngineeringUniversity

Vol.41№.11

Nov.2020

STAR-CCM

+

与一维用户程序耦合方法

(1.哈尔滨工程大学

核安全与仿真技术国防重点学科实验室,黑龙江哈尔滨

150001;2.海军工程大学

核科学技术学院,湖北

张银星

,

高璞珍

,

何晓强

,

陈冲

,

林宇琦

,

刘怡雯

41,21131

武汉

430033;3.中国舰船研究设计中心,湖北

武汉

430064;4.武汉第二船舶设计研究所,湖北

武汉

430064)

摘　要:为了探究棒束通道内的自然循环流动特性,本文采用将三维计算流体动力学(CFD)软件STAR-CCM

+

与一

维用户程序(User

Code)耦合的方法进行研究。通过三维软件模拟棒束通道,一维自定义用户程序模拟自然循环回

路的方法实现对包含棒束通道的自然循环系统的模拟。为证明数值模拟结果的准确性,将数值模拟得到的自然循

环冷却剂流量和棒束通道内压降结果与实验结果进行比较,结果表明:数值模拟结果与实验值符合较好,证实

STAR-CCM

+

与一维用户程序耦合的计算方法能够很好的预测棒束通道的自然循环流动特性。本文对一维用户程

序与三维STAR-CCM

+

之间的数据交互方法做了说明,为实现一维用户程序与STAR-CCM

+

耦合研究提供参考。

关键词:棒束通道;自然循环;数值模拟;用户程序;STAR-CCM

+

;耦合模拟;数据交互;流动特性

DOI:10.11990/jheu.201906045

网络出版地址:/kcms/detail/

中图分类号:TL33　文献标志码:A　文章编号:1006-7043(2020)11-1669-06

CoupledmethodofSTAR-CCM

+

andone-dimensionalusercode

(entalScienceonNuclearSafetyandSimulationTechnologyLaboratory,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,

ZHANGYinxing,GAOPuzhen,HEXiaoqiang,CHENChong,LINYuqi,LIUYiwen

41,21131

China;eofNuclearScienceandTechnology,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China;hipDevel-

opmentandDesignCenter,Wuhan430064,China;econdShipDesignandResearchInstitute,Wuhan430064,China)

Abstract:To

explorethenaturalcirculationflowcharacteristicsinarodbundlechannel,westudiedthemethodfor

couplingthethree-dimensionalcomputationalfluiddynamics(CFD)softwareSTAR-CCM

+

withone-dimensional

ulationofanaturalcirculationsystemcontainingarodbundlechannelwasachievedbysimula-

tingbothanaturalcirculationloopwithone-dimensionalusercodeandarodbundlechannelwiththree-dimensional

ktheaccuracyofthenumericalsimulationresults,thesimulationresultsofthenaturalcircu-

lationcoolantflowrateandthepressuredropintherodbundlechannelarecomparedwiththeexperimentalresults.

Itisfoundthatthenumericalsimulationresultsagreewellwiththeexperimentalresults,anditisprovedthatthe

simulationmethodofSTAR-CCM

+

couplingwithone-dimensionalusercodeisagoodpredictorofthenaturalcircu-

pergivesadetaileddescriptionofthedatainteraction

methodbetweentheone-dimensionalusercodeandthethree-dimensionalSTAR-CCM

+

,whichprovidesareference

forotherscholarstorealizethecouplingbetweenSTAR-CCM

+

andusercode.

Keywords:rod

bundlechannel;naturalcirculation;numericalsimulation;usercode;STAR-CCM

+

;coupledsim-

ulation;datainteraction;flowcharacteristics

　　核能的发展与应用对于我国综合国力的提升有

重要意义。民用核能主要应用于核反应堆中,对于

大多数压水堆,堆芯为棒束通道结构。因此研究棒

束通道内的热工水力特性对于彻底了解核反应堆的

收稿日期:2019

-

06

-

13.网络出版日期:2020

-

10

-

28.

基金项目:国家自然科学基金项目(11605033);核能安全劳氏基金

项目.

作者简介:张银星,女,博士研究生;

高璞珍,女,教授,博士生导师.

通信作者:高璞珍,E-mail:

gaopuzhen@.

运行机理至关重要。若反应堆在运行过程中发生了

事故,非能动安全系统就会发挥作用以确保反应堆

的安全,因此棒束通道内的自然循环流动特性是值

得研究的。由于棒束通道结构的特殊性,有许多学

者通过实验、数值模拟进行研究

[1

-

5]

。实验研究可

以得到更为准确、更令人信服的实验结果,数值模拟

研究可以节省大量的人力、物力、财力。但对于想要

较为精准地通过数值模拟来研究自然循环条件下棒

束通道的热工水力特性,就需要将包括棒束通道的

·1670·

哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报第41卷

整个自然循环回路都进行模拟,这对于三维CFD数

值模拟来说需要的时间更长,对计算机的要求更高。

为解决这一困难,许多学者对三维CFD数值模拟软

件与一维程序耦合进行了研究,李伟等

[6]

证明了三维

CFD数值模拟软件FLUENT与热工水力分析系统程

序RELAP5耦合研究可以很好地分析简单的单相流

或复杂的两相流问题;Palazzi等

[7

-

8]

通过模拟管道中

的摩擦阻力系数证明了STAR-CCM

+

与

RELAP5

-

3D耦合的可行性;Gilman

[9]

通过编写用户

自定义程序建立了新沸腾模型,该模型能够准确预

测CFD模拟中过冷沸腾流体的温度和热流密度。

王宁波等

[10]

对5

×

5棒束通道内的压降特性进行了

数值研究,但对于单一的CFD数值模拟,仅能模拟

强迫循环条件下的流动特性,无法模拟自然循环条

件下的热工水力特性。孔松等

[11]

用一维分析程序

RELAP5对小型核动力装置进行了自然循环运行特

性分析,但由于一维程序的局限性,很难对结构复杂

的部件(例如反应堆堆芯)进行分析。

为探究反应堆堆芯内的固有安全性,本文研究

自然循环条件下棒束通道内的流动特性,将研究棒

束通道的三维CFD数值模拟与除去棒束通道外的

自然循环回路其他部分的一维程序模拟耦合计算,

以期用经济的方法计算得到更为准确的数值模拟结

果。通过这种方法既可以将棒束通道通过三维

CFD数值计算较为精细的模拟出来,又可以考虑自

然循环回路对棒束通道的影响。自然循环回路管道

多为普通圆管,采用一维程序进行模拟也可以得到

很好的计算结果。本文采用三维CFD数值模拟软

件STAR-CCM

+

与一维用户程序(User

Code)耦合以

实现自然循环条件下棒束通道的数值模拟。

1　三维与一维耦合方法

为确保三维与一维程序耦合数值模拟结果的准

确性,首先要进行实验研究,将得到的自然循环实验

数据用来验证数值模拟结果准确与否。实验装置为

包含3

×

3棒束通道的自然循环回路,如图1所示。

本文所述三维与一维程序耦合模拟皆基于该试验

台。具体实验方法见文献[2]。

图1　自然循环实验装置

Fig.1　Naturalcirculationexperimentalfacility

　　为模拟自然循环条件下棒束通道的流动特性,

本文采用基于有限体积法的CFD软件STAR-CCM

+

13.04对实验段3

×

3棒束通道进行三维数值模拟,

并利用编程语言C

++

自行编写除去棒束通道外的

自然循环回路其他管道,再将2个部分通过STAR-

CCM

+

的用户程序自定义接口交互,以实现自然循

环回路的完整数值模拟。

1.1　三维CFD数值模拟

棒束通道实验段结构如图2所示。棒束通道实

验段长度为800

mm,利用STAR-CCM

+

内的3D-CAD

模型可直接进行建模。

1.1.1　网格独立性分析

本文采用多面体网格实现棒束通道主体结构的

网格划分,采用棱柱层网格模型应用在所有的壁面

边界。图3给出棒束通道内生成的三维网格。

为了验证数值计算的准确性,首先需进行网格

无关性验证。在网格独立的条件下对数值模型进行

验证。以入口速度v

=

2

m/s的工况为例,对棒束通

第11期张银星,等:STAR-CCM

+

与一维用户程序耦合方法

·1671·

道进行了网格考核。以棒束通道出口温度T

o

、棒束

通道出口速度v

o

及棒束通道进出口压降ΔP作为监

测量。选取网格数分别为868

147、1192331、

1213874和1671941的4套网格,当网格数从

868147变化到1671941时,棒束通道的出口温度

T

o

、出口速度v

o

和进出口压降ΔP随网格数量的变

化趋势如表1所示。从表1中可以看出,模型2中

T

o

的改变量为0.003

3%,v

o

的改变量为0.15%,ΔP

的改变量为1.03%,故认为网格数在1

192331已达

到独立。本文计算中选取网格数为1

192331。

此得到棒束通道进出口压降ΔP随雷诺数Re的变

化曲线如图4所示。从图4中可以看出SST

(Ment-

er)

k-ω模型可以很好地模拟棒束通道内的压降特

性。故本文将选用SST

(Menter)

k-ω模型用于棒束

通道的数值模拟计算。

1.2　一维UserCode耦合方法

本文采用自行编写的一维用户程序(User

Code)来模拟除棒束通道外的回路部分,包括预热

器、冷却器与连接管路,如图1所示。首先编写一维

用户自定义程序,得到稳态条件下系统回路的自然

图2　棒束通道结构

Fig.2　Rodbundlechannelstructure

图3　棒束通道网格示意

Fig.3　Rodbundlechannelgriddiagram

表1　网格无关性验证

Table

网格模型网格数

1　Grid

independenceverification

T

#1

o

/K

ΔP/Pa

v

o

/(m·s

-

1

#2

868147321.41712647.2.011554

)

#3

1

1

192

1

213

331

#4671

874

321.430911642.65

21

1.1.2　

941

321.431

441

3

5

11

11

643.

764.

42

2.01109

321.32

2.

2.

010

008

805

034

为保证数值模拟的准确性

模型验证

,本文对竖直条件下

的棒束通道进行模型验证。在图1所示的实验装置

中进行绝对压力为

18kW/m

2

0.4

的实验,将得到的实验结果与相同条件

MPa,棒束通道加热功率为

下不同湍流模型的计算结果进行比较。为找到最适

合棒束通道的湍流模型,本文尝试了

k-ε模型、可实现的

k-ω

k-ε

模型

两层模型

、标准k-ε

、雷诺应力湍流模

模型

6种模型

、可实现的

,分别

为标准(Wilcox)

型与SST

(Menter)

k-ω模型。数值模拟过程中将棒

束通道入口设为速度入口边界,出口设为压力出口

边界,棒束壁面设为定热流量,外壁面设为绝热,由

循环流量,和该自然循环流量对应的速度,进而将其

设为CFD数值模拟的入口速度,最后模拟得到自然

循环条件下棒束通道内的流动特性。

图4　CFD不同模型与实验数据压降对比

Fig.4　Comparisonofpressuredropbetweendifferent

CFDmodelsandexperimentaldata

因此,编写一维程序的目的就是找到实验回路

达到稳定状态的自然循环流量值,即驱动压头与总

阻力压头相等时的流量值。设冷却器与棒束通道中

心高度差为L,棒束通道出口至冷却器进口冷却剂

的密度为ρ

h

度为

(ρ

ρ

c

c

-

ρ

h

)

,

,冷却器出口到预热器进口冷却剂的密

沿程阻力即为各个管路的沿程阻力

gL

采用换热中心假设

。总阻力压头ΔP

,

z

则驱动压头为

包括沿程阻力与局部

ΔP

d

=

阻力。,具体计

算方法为:

ΔP

f

=

λ

d

lq

2

(1)

:λ为沿程阻力系数;l为管路长度

2ρA

2

式中;d为当量直

径;ρ为流过该管路的冷却剂密度;A为管路流通面

积;

[12]

q为质量流量。其中沿程阻力系数λ的计算方

法为:

ì

ï

64/Re,

Re<2

λ

=

ï

í

a

+

bRe

-

c

ï

,2320

320

ï

0.

0.

316

003

4

2

/

+

Re

0.25

0.221

,4

000

5

Re

000

-

<

î

0.237

,

Re

Re

<

>

1

1

×

×

10

10

5

式

1.62

中

k

:a

=

0.094k

0.225

+

0.53k;b

=

88k

0.44

(2)

0.134

局部阻力包括棒束通道

;k

=

ε/d是相对粗糙度

;c

=

、预热器

。

、冷却器处的局

·1672·

哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报第41卷

部阻力,以及各管路之间连接处,管路与棒束通道、

预热器、冷却器连接处的局部阻力。局部阻力中除

却棒束通道内的阻力外,其他部分相对较小,可以忽

略不计。那么,总阻力压头表示为ΔP

z

=

ΔP

f

+

ΔP

-

ρgH,ΔP为棒束通道进出口压降,ρ为棒束通道的定

性密度,H

=

800

mm为棒束通道长度。

因此,当实验回路中驱动压头与总阻力压头相

等时,即ΔP

d

=

ΔP

z

时即可输出自然循环回路质量

流量q。具体程序框图如图5所示。

1)用户函数接口。

本文采用C

++

来编写用户函数,以实现得到自

然循环回路流量的目的。通过库注册函数(uclib.

cpp)指明用户函数类型为标量场函数“ScalarField-

Function”,以此在STAR-CCM

+

中棒束通道入口处

通过设置场函数的方法来设置入口速度值。注册方

法可以通过调用ucfunc来实现,具体代码为:

ucfunc(main,“ScalarFieldFunction”,“Iteration-

Velocity”);

图5　一维用户程序框图

Fig.5　One-dimensionalusercodeprogramchart

值得注意的是,将STAR-CCM

+

模拟的迭代次数

输入到一维程序中是为了编写实现STAR-CCM

+

迭

代次数超过一定步数(例如100步)后再进行上述

循环过程的语句,目的是让CFD达到相对收敛后再

进行自然循环计算

1.2.1　

,从而避免计算结果的发散。

从上文可知

用户库

,一维用户程序需要将STAR-CCM

+

中的计算结果作为已知量,并且需要将用户程序计

算得到的自然循环速度传递给STAR-CCM

+

,使之作

为棒束通道入口速度值

CCM

序编译成

+

之间的数据传递需要通过事先把用户自编程

。一维用户程序与STAR-

CCM

+

中的方式来实现

链接库,然后

。

作为用户库加载到STAR-

locity

其中

另外

为显示在

,main为用户函数主函数名称

,可通过调用

STAR-CCM

,IterationVe-

ucarg

+

下拉列表中的函数名

注册用户函数所需的

。

来自STAR-CCM

+

的参数,包括棒束通道进出口温

度、压降,入口速度,迭代次数,具体代码为:

ordReal));

ucarg(main,“Cell”,"$tinReport",sizeof(Co-

(CoordReal));

ucarg(

/

main,

∗棒束通道入口温度,K∗/

/∗棒束通道出口温度

“Cell”,"$toutReport

,K∗

"

/

,sizeof

ordReal));

ucarg(main,“Cell”,"$pjReport",sizeof(

dReal));

ucarg(main,

/∗棒束通道压降,Pa∗/

Co-

ordReal));

ucarg(main,

/∗棒束通道入口速度

“Cell”,"$vReport",sizeof(Coor-

“Cell”,"$Iteration"

,m/s∗/

,sizeof(Co-

eration

其中,Cell

/∗迭代次数

表示对于网格单元场的参数类型

∗/

次数;tin、

为STAR-CCM

tout、pj、v为在

+

中原有的场函数

STAR-CCM

+

,

中生成的报

表示为迭代

;It-

告

size

,后缀加上Report可以同样实现场函数的功能

位

CCM

),

为变量组分表中元素所需的储存

此大小可用于确保用户函数的精度与

(以字节为单

;

为CoordReal,

+

的精度相匹配

即表示为双精度型浮点数据

,所有的场函数参数都应设置

STAR-

,另外尽

管迭代次数Iteration为整型数据,也同样需要设定

为双精度型浮点数据。值得注意的是,必须按照上

述变量在用户函数中的所需顺序调用ucarg。本文

中主函数的形参列表为

Real

voidmain(CoordReal

:

∗result,int

dReal

∗tin,CoordReal∗tout,CoordReal

size,

∗pj,

Coord-

其中

∗v,

,result

CoordReal

Coor-

为用户函数的返回值的组分表

∗Iter)

,对

于本文来说即为自然循环速度值;size为result组分

表中的元素数量。

#include

至此可以得到库注册函数代码如下:

void

"uclib.h"

{/∗

uclib()

在与

这里为上文所述的注册用户函数

相同的目录中创建文件

∗/}

uclib.

第11期张银星,等:STAR-CCM

+

与一维用户程序耦合方法

·1673·

h,以声明中使用的函数。uclib.h文件中

定义了在用户函数中使用的变量和函数类型,它对

于所有代码都一样,具体内容参见STAR-CCM

+

用户

指南

[13]

。

2)创建用户库。

至此,用户库源码已生成完毕,包括uclib.h、

、,

由于在一维程序编写过程中需

要查物性参数,因此还需调用物性库函数wasp97.h、

。将上述文件同STAR-CCM

+

安装目录中

的编译链接成为动态链接库即可

棒束通道入口温度变化关系。为方便与数值模拟结

果对比,图6展示了回路自然循环速度与棒束通道

入口温度关系曲线,其中模拟速度值为棒束通道进

出口速度平均值。从图中可以看出采用三维CFD

软件STAR-CCM

+

和一维自定义用户程序耦合模拟

可以很好地预测棒束通道内的自然循环速度值,可

以认为STAR-CCM

+

与一维User

Code耦合能够研究

棒束通道内的自然循环流动特性。针对图1所示实

验过程中得到引压管2、3间的压降值ΔP

2

,同样在

模拟中得到相同部位的压降,并与实验值ΔP

2

进行

应用在STAR-CCM

+

中实现一维程序与三维CFD的

耦合计算。

C

本

++

下面说

。打开

2013

VS2013

上进行编译

明编译方法。本文在Microsoft

Visual

录定位到当前工作目录

x64本机工具命令提示

,且Windows仅支持

,将工作目

64位版

uclib.

件中:

cpp、、wasp97.

,并使用以下命令将源程序

cpp编译到对象文

-c∗∗∗.

cl/MD/D_WINDOWS/DDOUBLE_PRECISION

obj,

即可将源代码编译成二进制目标文件

cpp

main.

uclib.

下面说明链接方法

obj,。

。在VS2013

命令提示中输入如下命令

x64本机工具

main.

link

objwasp97.

-dll/out:

obj

IterationVelocity.

:

"F:Program

13.

Files

dll

CD-adapco

win64

04.011-R8STAR-CCM

+

13.04.011-R8starlib

链接成功后可在当前工作目录中得到动态链接

"

库。将该用户库在STAR-CCM

+

模拟中加载,可发现场函数列表中新增场函数User

IterationVelocity,

一维User

循环条件下棒束通道的流动特性

Code与三维

将其设置为入口速度幅值即可实现

CFD的耦合计算

。

,研究自然

2　结果分析

通过上述方法可以对自然循环条件下的棒束

通道进行数值模拟。当系统压力为0.3

在实验操作中,可以通过提高预热器加热功率或

MPa时,

棒束通道实验段加热功率来增加实验回路的自然

循环流量。对于数值模拟而言,为得到与实验相

对应的多组工况,提高预热器加热功率转化为增

加棒束通道实验段入口温度,提高棒束通道实验

段加热功率可以通过直接在模拟中设置棒束热流

量来实现。

若保持棒束通道加热功率不变,逐渐提高预热

器的加热功率,可以得到系统回路自然循环流量随

对比,如图6所示,可以看出二者符合较好,最大误

差在0.5%以内。

图6　变预热器功率实验值与模拟值对比

Fig.6　Comparisonofexperimentalandsimulationresults

ofvariablepreheaterpower

同样,若保持预热器加热功率不变,逐渐提高棒

束通道的加热功率,可以得到系统回路自然循环速

度随棒束通道热流量的变化关系,如图7所示。对

于压降ΔP

2

也采用与图6同样的处理方法,对比结

果如图

0.

7所示,发现二者仍然符合较好

变棒束通道加热功率

5%以内。可以看出无论是改变预热器功率或改

,最大误差在

,STAR-CCM

+

与一维用户程序

耦合都能很好地预测棒束通道内的自然循环流动

特性。

图7　变棒束通道功率实验值与模拟值对比

Fig.7　Comparisonofexperimentalandsimulationresults

ofvariablerodbundlechannelpower

·1674·

哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报第41卷

3　结论

1)在STAR-CCM

+

中对3

×

3棒束通道使用SST

(Menter)K-Omega湍流模型进行数值模拟,自行编

写C

++

一维用户程序求解系统回路其余部分的流

动特性,再通过STAR-CCM

+

的用户接口实现了二者

的耦合。

2)在改变预热器加热功率和改变棒束通道加

热功率2种情况下将数值模拟计算得到的自然循环

冷却剂速度值和棒束通道内压降结果与相应的实验

值进行对比,发现二者符合较好,可以说明STAR-

CCM

+

与一维用户程序耦合能够很好的预测棒束通

道的自然循环流动特性。

本文对一维用户程序与三维STAR-CCM

+

之间

的数据交互方法进行了说明,该耦合方法和实现流

程为后续研究奠定了基础。

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