控制棒定位隔板局部水力損失系數的數值計算

丁紹軍，王 琳，楊翊仁

(西南交通大學 力學與工程學院， 成都 610031)

控制棒定位隔板局部水力損失系數的數值計算

丁紹軍，王 琳，楊翊仁

(西南交通大學 力學與工程學院， 成都 610031)

在反應堆驅動線落棒的分析計算中，導向筒隔板處的局部水力損失系數對流體力來說至關重要。采用CFX軟件對一種結構復雜的導向筒隔板模型進行數值模擬，可得到流體通過隔板時的局部水力損失系數。同時考慮控制棒的影響，運用修正系數對局部水力損失系數進行修正，從而建立了一套適用于復雜結構局部水力損失系數計算的方法，可用于反應堆驅動線落棒過程中流體局部水力損失的計算。

反應堆；驅動線；局部水力損失系數；數值模擬；修正系數

在反應堆落棒過程的分析計算中，導向筒隔板處的局部水力損失系數至關重要。導向筒隔板模型具有截面復雜、工況眾多的特點，現有的理論計算公式無法適用，模型試驗代價比較大，相比之下，數值模擬方法則更具優勢[1-7]。本文使用CFX軟件，運用三維k紊流模型對一種復雜隔板進行數值模擬，監測不同速度下的進出口壓強與速度，求得相應的局部水力損失系數。此外，控制棒進入導向筒后，會給截面均值計算帶來較大的誤差，為此本文設置了修正系數對其進行修正。由于現階段無法對計算結果進行試驗驗證，故本文特選取一種與隔板模型結構相似的工程構件，并將隔板模型修正之后的局部水力損失系數與構件的局部水力損失系數進行對比，從而對隔板的局部水力損失系數進行驗證[8-9]。

本文采用CFX進行數值計算的模型均為流體模型，可隨實際需要進行更換或改進，進而得到相應的局部水力損失系數。因此，本文的計算方法不僅適用于隔板結構，也適用于其他復雜結構，可操作性較強，尤其是在工況繁多的反應堆落棒試驗中，此法可以為理論分析提供一定的參考與幫助。

1 模型選取

控制棒驅動線落棒過程涉及流體通過復雜結構的能量損失計算，且結構種類繁多，本文擬通過對導向筒隔板處的水力損失系數的計算建立一整套適用于復雜結構水力損失系數的計算方法。當控制棒通過隔板時，隔板處的流體截面會發生改變，如圖1所示。

圖1 隔板的流體幾何模型

隔板兩側連接導向筒，導向筒的截面為圓形。本研究取出口部分長度為280 mm，入口部分長度為200 mm，隔板厚度為23 mm。插入控制棒后，導向筒圓截面的面積為29 917 mm2，隔板截面的面積為8 253 mm2，截面的面積比為27.6%。流體整體幾何模型如圖2所示。

圖2 流體整體幾何模型

2 數值模擬

本文采用CFX軟件的Transient法進行數值計算，紊流模型為k模型。本研究出口壓強設為0 Pa，入口速度可變，其余部分默認為壁面，并設置為光滑[10]。當進口速度為1 m/s時，進口壓強分布如圖3所示，出口速度分布如圖4所示。

圖3 進口壓強分布

圖4 出口速度分布

出口速度分布與圓管內的流速分布非常相似，說明控制棒對整個導向筒內流速分析影響較小。但是控制棒的存在使得截面變得不規則，會給后續的結果處理帶來困難。

3 局部水力損失系數計算方法

黏性流體在經過各種局部構件或連接件時產生的這種額外的水力損失稱為局部損失。試驗中測得流體流過局部構件的壓降或水頭損失基本上與流體動能頭成正比[11]。因為以上壓降、水頭損失均為截面均值，所以本文可通過截面的速度、壓強分布求得各截面的速度平方和壓強的截面均值。求解各截面均值之后，根據伯努利方程計算進出口斷面的局部水頭損失，進而確定局部水力損失系數。

3.1 速度與壓強的均值處理

根據截面特點，沿x軸正方向選取n個監測點，分別記錄進口截面的壓強以及出口截面的速度，采取數值積分的方法進行均值求解。n個監測點將截面分為n-1個圓環，對此進行數值積分計算。

速度、壓強的數值積分為

(1)

速度平方的數值積分為

(2)

截面均值為

(3)

其中r為圓截面半徑。由于本文的模型進出口截面面積相同，所以進口的速度應當與出口截面平均速度相等，據此可判斷所取n值是否合理。速度平方均值可用以確定截面的平均動能，壓強均值可用于確定截面的平均壓能。

3.2 局部水力損失系數的計算

簡化模型如圖5所示，左端為進口，右端為出口，中部為隔板，流體為緩變流，忽略沿程損失[7]。

圖5 模型簡化示意圖

局部能量損失為

(4)

在分析過程中，設置出口壓強為0 Pa。此時局部水力損失系數為

(5)

3.3 局部水力損失系數的修正

以上計算中，計算截面時并未考慮控制棒，因此計算面積比實際值略大，會影響局部水力損失系數的最終結果。為了消除此影響，可添加修正系數。實際截面面積為s1，計算截面面積為s2，取兩者的比值為修正系數α=s1/s2，用以降低控制棒缺口對結果的影響。 添加修正系數之后的局部水力損失系數為

(6)

由于主要損失能量來自于壓差，若不考慮進出口動能改變，整個過程只考慮壓強的改變，則式(6)可表示為

(7)

其中：ξ1為總能局部水力損失系數，可用于計算流體通過隔板時損失的總能量；ξ2為靜壓局部水力損失系數，可用于計算流體通過隔板時損失的壓能。

4 計算結果及驗證

4.1 計算結果

通過以上計算方法，得出不同速度下的局部水力損失系數，如表1所示。

由表1可知，此模型總能局部水力損失系數大致為13.3。進口速度的不同會導致結果略有差異，可以通過實際工況來最終確定隔板處的局部水力損失系數。

表1 模型局部水力損失系數

4.2 結果驗證

由于沒有實驗結果進行驗證，因此選取近似模型進行對比。本文模型流體截面突變2次，且進出口截面相同。在已有的工程模型中，閘閥模型與本模型相似，且其局部水力損失系數由實驗測得，可信度較高，因此取閘閥模型與本模型進行對比驗證。圖6為閘閥模型[4]。

圖6 閘閥模型

表2為閘閥在不同開度下的局部水力損失系數[11]，根據此表即可大致推測相同開度下導向筒模型。

表2 閘閥不同開度下局部水力損失系數

導向筒模型開度為27.6%，局部水力損失系數為13.3，而相應閘閥實驗結果則在6.5與16之間?？紤]到本模型的隔板截面遠比閘閥截面復雜，因此模擬所得結果比較合理，可為落棒的理論計算提供一定參考與幫助。

5 結束語

本文以反應堆驅動線落棒分析為背景，對導向筒隔板局部水力損失系數進行了討論分析與修正，建立了一整套適用于復雜結構局部水力損失計算的分析方法。另外，根據已有的工程模型及相應的局部水力損失系數，對本文的計算結果進行了驗證。

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(責任編輯劉 舸)

NumericalCalculationofLocalHydraulicLossCoefficientofControlRod

DING Shaojun， WANG Lin， YANG Yiren

(School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In the analysis and calculation of the reactor drive line, the local hydraulic loss coefficient at the guide baffle is critical to the fluid force. The CFX software can be used to simulate a complex guide baffle model, so as to obtain the local hydraulic loss coefficient when the fluid passes through the partition. At the same time, considering the influence of the control rods and using correction coefficient to modify the local hydraulic loss coefficient, a method for calculating the local hydraulic loss coefficient for complex structures is established, which can be used to calculate the local hydraulic loss of the fluid during the process of falling off the reactor.

reactor; driving line; local loss factor; numerical simulation; correction coefficient

2017-06-28

丁紹軍(1994—)，男，安徽人，碩士，主要從事流固耦合動力學研究，E-mail:kikoyang@live.cn。

丁紹軍,王琳，楊翊仁.控制棒定位隔板局部水力損失系數的數值計算[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(10):96-99.

formatDING Shaojun，WANG Lin，YANG Yiren.Numerical Calculation of Local Hydraulic Loss Coefficient of Control Rod[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):96-99.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.016

TL351

A

1674-8425(2017)10-0096-04