MOOSE框架中热传递无量纲数计算功能的实现

概述

在MOOSE框架的热水力学模块(THM)开发过程中，需要实现一个能够计算热传递相关无量纲数的功能模块。这些无量纲数包括雷诺数(Re)、普朗特数(Pr)、格拉晓夫数(Gr)和佩克莱数(Pe)等，它们是建立热传递系数关联式的基础参数。

背景与需求

在热结构表面传热系数的计算中，通常需要使用各种无量纲数来建立传热关联式。这些无量纲数需要基于以下参数进行计算：

• 压力
• 流速
• 特征长度
• 流体温度
• 表面温度
• 流体物性参数

虽然Navier-Stokes模块中已经存在GeneralFunctorFluidProps功能，可以计算Re和Pr，但它缺少对表面温度的处理能力，且无法计算Gr等其他重要无量纲数。

设计方案

新设计的HSHeatTransferQuantitiesFunctorMaterial将作为THM模块的一部分，专门用于计算热传递相关的无量纲数。该材料属性计算器将具备以下特点：

1. 功能完整性：能够计算Re、Pr、Gr和Pe四个关键无量纲数
2. 输入参数：接受压力、流速、特征长度、流体温度、表面温度和流体物性对象作为输入
3. 模块定位：放置在THM模块中，因为需要直接使用流体物性对象

技术实现要点

1. 与现有功能的协调：对于Re和Pr的计算，当孔隙率设为1时，可以使用现有的GeneralFunctorFluidProps功能
2. 扩展功能：新增对Gr和Pe的计算能力，特别是处理需要表面温度作为输入的工况
3. 模块依赖关系：考虑到THM已经依赖于NS模块，而NS不依赖THM，将新功能放在THM中可以保持模块依赖关系的清晰性

应用场景

该功能特别适用于以下传热关联式的计算：

• 圆柱体自然对流换热中的Churchill-Chu关联式
• 其他需要上述无量纲数的传热关联式

总结

通过在THM模块中实现HSHeatTransferQuantitiesFunctorMaterial，MOOSE框架完善了热传递计算的关键基础功能。这一实现不仅满足了当前Churchill-Chu关联式的计算需求，还为未来可能引入的其他传热关联式提供了统一的解决方案。该设计保持了模块间的清晰边界，同时确保了功能的完整性和可扩展性。