壓水堆控制棒導向筒內流致振動研究

張惠民++陸道綱++王園鵬++汪喆

摘 要：控制棒組件是核電站的關鍵設備之一，細長控制棒在冷卻劑流動中產生振動甚至磨損變形，嚴重時將影響落棒時間，進而影響核電站安全運行。該文使用ANSYS軟件對上腔室下部導向筒內外流場進行數值模擬，獲得流場的流速分布，得到導向筒內部的流致振動特性，對下一步進行控制棒流致振動實驗起到了提供了預分析和指導意義。

關鍵詞：壓水堆 控制棒 流致振動 數值模擬

中圖分類號：TL341 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0027-03

1 引言

1.1 該研究的意義

流致振動問題的存在最早是由于設計的不足，因為在核電站的最初設計時并沒有將流致振動問題考慮在內，直到后來一些較大事故的發生才使得流致振動問題受到廣泛的關注。其中比較著名的有：日本東海村、瑞典林哈爾斯-3核電站等的蒸汽發生器管束振動；美國的揚基羅等吊籃組件的熱屏蔽結構、堆芯圍板、反應堆內測量通道經常發生流致振動引發的松動脫落[1]等。這些因流體的激振力引發的結構振動嚴重影響了核電設備的正常有效運行，流致振動也成為了核電安全中的一個重要問題。

由于控制棒的結構較為復雜，測量方式局限性較大，至今控制棒的流致振動機理還是一個難題，因此，對控制棒流致振動的實驗和數值計算研究還很重要。

1.2 流致振動研究現狀

法國和美國在蒸汽發生器換熱管流致振動的實驗研究中做了大量的工作，并獲得了蒸汽發生器換熱管振動及磨損實驗的數據，提出了換熱管在一定運行工況下的流致振動的特性；國內如上海核工程研究設計院秦山核電廠壓水堆吊籃組件流致振動實驗，成都核動力院秦山核電廠（Ⅱ期）壓水堆吊籃組件流致振動實測實驗[2-4]等。這些實驗基本都是針對個別部件的工程驗證性實驗，關于流致振動的基礎性研究及機理性研究在國內尚未廣泛開展，所以從實驗計劃到結果分析及實堆應用都存在一定的局限性。

針對控制棒組件流致振動的研究相對來說就更少，法國和美國的一些研究主要是縮比模型實驗；國內的控制棒組件流致振動研究也是多采用縮比模型進行落棒過程中的阻尼[5-6]等研究。壓水堆內上腔室中的冷卻劑流動對懸掛狀態下的控制棒組件的流致振動影響研究鮮見，而控制棒導向筒內的冷卻劑流動對控制棒的振動影響是比較顯著的，因此，探究導向筒內部的流致振動特性也極為重要。控制棒組件在懸掛狀態下的流致振動研究能夠針對性分析流體的脈動壓力對控制棒振動特性的影響，而且從對數值計算的驗證來說，懸掛狀態下的控制棒流致振動實驗有效減小了測量難度，對于流致振動機理的研究很有幫助。

1.3 該文的主要研究內容

建立控制棒導向筒內外相關結構模型、選取等比例長度控制棒導向筒模型進行數值模擬。根據壓水堆核電站運行工況，選取合理的上腔室內冷卻劑流動參數作為邊界條件。使用ANSYS軟件計算控制棒導向筒內外部流場的流速及壓力分布情況，模擬改變橫向流和縱向流流量時控制棒組件周圍流場的工況，得出流場的變化及對控制棒流致振動的影響。為后續搭建等比例模型實驗做預分析基礎。

該文工作對前述研究現狀的彌補：前人很少做過控制棒導向筒周圍流場和控制棒的流致振動研究，都是計算方法的研究比較多。而且全尺寸控制棒的研究比較少。該文選取等比例長度建立控制棒組件和導向筒模型，實驗模型符合流致振動實驗的相似定律，斯特羅哈數滿足實驗對比要求。

2 理論與方法

2.1 數值模擬的方法

關于流致振動計算的數值模擬方法主要有兩類：即經驗模型和直接流場模擬。經驗模型法不考慮具體流場結構，將流體及其中的振蕩物體視作一個整體系統，然后用一組適宜的模型方程對其進行描述，以便求解后可以較好地再現系統的運動特性。直接流場模擬包括直接求解N-S方程的各種差分法、有限元法、譜方法和基于邊界層方程的各種正、反解法以及粘性、無粘性干擾方法等。在流場計算中，應用較多的為渦方法和有限差分解法。直接流場模擬結果與實驗有比較好的一致性，該文采用直接流場模擬方法。

2.2 模型和方程

該文中的流體為水，采用LES（Large Eddy Simulation，大渦模擬）對湍流流場進行求解[7]。得到大渦的控制方程：

（1）

（2）

3 建模與計算分析

該文采用數值模擬分析，使用ANSYS軟件對懸掛在導向筒內部的控制棒流致振動現象進行分析。首先使用Solidworks建立上腔室、控制棒導向筒、控制棒及流體模型，再使用workbench 平臺進行CFX和流固耦合模擬，最后分析結果得到對實驗較為有指導意義的結論。

3.1 模型的簡化

在流致振動分析中，模型結構比較復雜，而且模型尺寸比較大，如果完全按照模型進行建模，后期的網格劃分和計算都將是巨大的工作量，并且很難得到計算結果，見圖1。在該文研究之前已經做過簡化的上腔室流場模擬，得到的結果靠近冷卻劑出口處的流場較為紊亂，流體的脈動壓力較大，是流致振動應當著重關注的部分。

控制棒導向筒內的多層導向板和連續導向段等結構，與控制棒的間隙很小，控制棒的流致振動受導向筒外部流場的分布影響比較小。控制棒導向筒上部流場較下部更為穩定。因此，該文選取單根控制棒下部導向筒周圍流場作為重點觀測部位。改變橫向流和縱向流入口流量，模擬流致振動現象。使用Solidworks進行簡化模型建立，見圖2。

3.2 網格的劃分及計算

將建好的模型導入ANSYS workbench中，進行流體和結構體的布爾計算，建立合理有效的實體模型。進行網格劃分，該文計算的網格數1 082 422個，節點個數268 544。最小尺寸1.2459e-003 m，最大0.249 m。在具體的操作中，本文先對流體的網格進行劃分，后對控制棒結構進行網格劃分，見圖3。先用CFX計算出進出口流量改變時，對應的流體速度和脈動壓力分布。橫向流與縱向流均選取200 t/h時的速度分布圖見圖4。然后將CFX計算出的最大脈動壓力分布作為控制棒結構單元的輸入載荷，計算得出流體作用下，控制棒的振動數據。

3.3 計算結果對比分析

使用上述同樣方式，更換橫向流和縱向流的進口流量，模擬多種工況下的流致振動。對比多種工況下的控制棒導向筒附近冷卻劑流場的流速，獲得流體攪渾最為劇烈的區域。觀察橫向流和縱向流的改變對控制棒振動位移的影響，獲得橫向流和縱向流對振動的影響特性。

4 結論與展望

該文探究了懸掛狀態下控制棒在冷卻劑流場中的流致振動特性，著重模擬了進出口即橫向流和縱向流流量改變條件下的控制棒振動特性，其中涵蓋了實堆流場中控制棒的流致振動工況。通過模擬計算，找出振動最大的部分下階段重點研究。

其中模擬結果顯示，在流場變化中，橫向流的流量改變對控制棒振動特性的影響較為顯著，縱向流對流致振動的影響小于橫向流；控制棒下端的振動較上部更為顯著，導向筒下部流水口附近的振動響應最為劇烈。這些結論對于該文作者下一階段的控制棒流致振動實驗臺架的測量和數據分析都提供了重要基礎，對進一步研究流場對振動的影響提供了一定指導。

參考文獻

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[4] 喻丹萍，蔣賢國，張建偉.中國先進研究堆全堆芯流致振動及流量分配試驗研究[J].原子能科學技術，2008，42（S2）：711-714.

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