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用于液态金属反应堆的斯特林发动机瞬态计算模型开发

周琳杰 张东辉 杨军 王晓坤 王晋 郭忠孝

周琳杰, 张东辉, 杨军, 王晓坤, 王晋, 郭忠孝. 用于液态金属反应堆的斯特林发动机瞬态计算模型开发[J]. 核动力工程, 2023, 44(5): 136-143. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0136
引用本文: 周琳杰, 张东辉, 杨军, 王晓坤, 王晋, 郭忠孝. 用于液态金属反应堆的斯特林发动机瞬态计算模型开发[J]. 核动力工程, 2023, 44(5): 136-143. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0136
Zhou Linjie, Zhang Donghui, Yang Jun, Wang Xiaokun, Wang Jin, Guo Zhongxiao. Development of Transient Computational Model for Stirling Engine Used in Liquid Metal Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(5): 136-143. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0136
Citation: Zhou Linjie, Zhang Donghui, Yang Jun, Wang Xiaokun, Wang Jin, Guo Zhongxiao. Development of Transient Computational Model for Stirling Engine Used in Liquid Metal Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(5): 136-143. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0136

用于液态金属反应堆的斯特林发动机瞬态计算模型开发

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.05.0136
详细信息
    作者简介:

    周琳杰(1998—),男,硕士研究生,现主要从事反应堆热工安全方面研究,E-mail: mrzhoulj@163.com

    通讯作者:

    张东辉,E-mail: zdh2008@139.com

  • 中图分类号: TL353.9

Development of Transient Computational Model for Stirling Engine Used in Liquid Metal Reactor

  • 摘要: 为了探究斯特林发动机与液态金属反应堆的匹配运行特性,基于斯特林循环三阶模型开发了一套可用于斯特林发动机运行模拟的瞬态程序。该程序模型采用一维流体力学方法对斯特林发动机工作腔及换热器进行建模,对在液态金属反应堆中运行的斯特林发动机进行模拟。本文首先利用GPU-3斯特林发动机试验数据对定壁温边界条件进行稳态运行模拟,结果显示与试验数据符合良好。接入换热器求解模块后,在定边界条件和变边界条件下程序均成功实现了对斯特林发动机的瞬态模拟,表明该模型可用于液态金属反应堆与斯特林发动机耦合系统的工况分析。

     

  • 图  1  斯特林发动机工作腔示意图

    Figure  1.  Schematic of Stirling Engine Working Chamber

    图  2  交错网格离散示意图

    网格上方编号为虚线控制体编号,节点下方编号为实线控制体编号      

    Figure  2.  Schematic Diagram of Staggered Grid Discretization

    图  3  换热器网格离散示意图

    TL—壳侧流体节点温度,K;${\bar T_{\text{L}}}$—壳侧流体相邻节点的平均温度,K;wL—壳侧流体质量流量,kg/s;TTU—换热管管壁节点温度,K;T—气体节点温度,K

    Figure  3.  Schematic Diagram of Heat Exchanger Grid Discretization

    图  4  模型计算流程图

    $\delta t$—计算时间步长,s

    Figure  4.  Flow Chart of the Model Calculation

    图  5  GPU-3斯特林发动机压力-体积图比较

    Figure  5.  Comparison of Pressure-Volume Diagrams of GPU-3 Stirling Engine

    图  6  不同模型输出功率对比图

    PFST模型—多变有限速度热力学模型;FST模型——有限速度热力学模型;图中百分数为不同模型模拟值与实验值的相对误差;下同

    Figure  6.  Comparison of Output Power of Different Models

    图  7  不同模型循环效率对比图

    Figure  7.  Comparison of Cycle Efficiency of Different Models

    图  8  不同工况下的输出功率比较

    Figure  8.  Comparison of Output Power under Different Conditions          

    图  9  降压时钠侧出口温度变化图

    Figure  9.  Temperature Variation of Sodium Side Outlet during Depressurization

    图  10  升压时钠侧出口温度变化

    Figure  10.  Temperature Variation of Sodium Side Outlet during Pressure Rise

    图  11  降温时钠侧出口温度变化图

    Figure  11.  Temperature Variation of Sodium Side Outlet during Cooling

    图  12  升温时钠侧出口温度变化

    Figure  12.  Temperature Variation of Sodium Side Outlet during Temperature Rise

    图  13  降温时有压力调节与无压力调节情形下钠侧出口温度变化的对比

    Figure  13.  Comparison of Outlet Temperature Changes at Sodium Side with and without Pressure Regulation during Cooling

    表  1  GPU-3在2.8 MPa、650℃工况下的输出功率比较

    Table  1.   Comparison of Output Power of GPU-3 at 2.8 MPa and 650℃

    工质 数值方法 压缩功率/kW 膨胀功率/kW 输出功率/kW
    氦气 实验[15] 5.67 7.98 2.31
    模拟 5.42 7.94 2.52
    氢气 实验[15] 4.71 8.18 3.47
    模拟 4.33 7.94 3.61
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    表  2  不同运行压力下的出口温度和输出功率

    Table  2.   Outlet Temperature and Output Power under Different Operating Pressures

    运行压力/MPa 加热器钠侧出口
    平均温度/℃
    输出功率/kW
    10.5 461.10 6.09
    11.5 457.81 6.60
    12.5 454.61 7.09
    13.5 451.47 7.57
    14.5 448.33 8.03
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-19
  • 修回日期:  2023-02-27
  • 刊出日期:  2023-10-13

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