压水堆控制棒导向筒内流致振动研究

张惠民++陆道纲++王园鹏++汪喆

摘 要：控制棒组件是核电站的关键设备之一，细长控制棒在冷却剂流动中产生振动甚至磨损变形，严重时将影响落棒时间，进而影响核电站安全运行。该文使用ANSYS软件对上腔室下部导向筒内外流场进行数值模拟，获得流场的流速分布，得到导向筒内部的流致振动特性，对下一步进行控制棒流致振动实验起到了提供了预分析和指导意义。

关键词：压水堆 控制棒 流致振动 数值模拟

中图分类号：TL341 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0027-03

1 引言

1.1 该研究的意义

流致振动问题的存在最早是由于设计的不足，因为在核电站的最初设计时并没有将流致振动问题考虑在内，直到后来一些较大事故的发生才使得流致振动问题受到广泛的关注。其中比较著名的有：日本东海村、瑞典林哈尔斯-3核电站等的蒸汽发生器管束振动；美国的扬基罗等吊篮组件的热屏蔽结构、堆芯围板、反应堆内测量通道经常发生流致振动引发的松动脱落[1]等。这些因流体的激振力引发的结构振动严重影响了核电设备的正常有效运行，流致振动也成为了核电安全中的一个重要问题。

由于控制棒的结构较为复杂，测量方式局限性较大，至今控制棒的流致振动机理还是一个难题，因此，对控制棒流致振动的实验和数值计算研究还很重要。

1.2 流致振动研究现状

法国和美国在蒸汽发生器换热管流致振动的实验研究中做了大量的工作，并获得了蒸汽发生器换热管振动及磨损实验的数据，提出了换热管在一定运行工况下的流致振动的特性；国内如上海核工程研究设计院秦山核电厂压水堆吊篮组件流致振动实验，成都核动力院秦山核电厂（Ⅱ期）压水堆吊篮组件流致振动实测实验[2-4]等。这些实验基本都是针对个别部件的工程验证性实验，关于流致振动的基础性研究及机理性研究在国内尚未广泛开展，所以从实验计划到结果分析及实堆应用都存在一定的局限性。

针对控制棒组件流致振动的研究相对来说就更少，法国和美国的一些研究主要是缩比模型实验；国内的控制棒组件流致振动研究也是多采用缩比模型进行落棒过程中的阻尼[5-6]等研究。压水堆内上腔室中的冷却剂流动对悬挂状态下的控制棒组件的流致振动影响研究鲜见，而控制棒导向筒内的冷却剂流动对控制棒的振动影响是比较显著的，因此，探究导向筒内部的流致振动特性也极为重要。控制棒组件在悬挂状态下的流致振动研究能够针对性分析流体的脉动压力对控制棒振动特性的影响，而且从对数值计算的验证来说，悬挂状态下的控制棒流致振动实验有效减小了测量难度，对于流致振动机理的研究很有帮助。

1.3 该文的主要研究内容

建立控制棒导向筒内外相关结构模型、选取等比例长度控制棒导向筒模型进行数值模拟。根据压水堆核电站运行工况，选取合理的上腔室内冷却剂流动参数作为边界条件。使用ANSYS软件计算控制棒导向筒内外部流场的流速及压力分布情况，模拟改变横向流和纵向流流量时控制棒组件周围流场的工况，得出流场的变化及对控制棒流致振动的影响。为后续搭建等比例模型实验做预分析基础。

该文工作对前述研究现状的弥补：前人很少做过控制棒导向筒周围流场和控制棒的流致振动研究，都是计算方法的研究比较多。而且全尺寸控制棒的研究比较少。该文选取等比例长度建立控制棒组件和导向筒模型，实验模型符合流致振动实验的相似定律，斯特罗哈数满足实验对比要求。

2 理论与方法

2.1 数值模拟的方法

关于流致振动计算的数值模拟方法主要有两类：即经验模型和直接流场模拟。经验模型法不考虑具体流场结构，将流体及其中的振荡物体视作一个整体系统，然后用一组适宜的模型方程对其进行描述，以便求解后可以较好地再现系统的运动特性。直接流场模拟包括直接求解N-S方程的各种差分法、有限元法、谱方法和基于边界层方程的各种正、反解法以及粘性、无粘性干扰方法等。在流场计算中，应用较多的为涡方法和有限差分解法。直接流场模拟结果与实验有比较好的一致性，该文采用直接流场模拟方法。

2.2 模型和方程

该文中的流体为水，采用LES（Large Eddy Simulation，大涡模拟）对湍流流场进行求解[7]。得到大涡的控制方程：

（1）

（2）

3 建模与计算分析

该文采用数值模拟分析，使用ANSYS软件对悬挂在导向筒内部的控制棒流致振动现象进行分析。首先使用Solidworks建立上腔室、控制棒导向筒、控制棒及流体模型，再使用workbench 平台进行CFX和流固耦合模拟，最后分析结果得到对实验较为有指导意义的结论。

3.1 模型的简化

在流致振动分析中，模型结构比较复杂，而且模型尺寸比较大，如果完全按照模型进行建模，后期的网格划分和计算都将是巨大的工作量，并且很难得到计算结果，见图1。在该文研究之前已经做过简化的上腔室流场模拟，得到的结果靠近冷却剂出口处的流场较为紊乱，流体的脉动压力较大，是流致振动应当着重关注的部分。

控制棒导向筒内的多层导向板和连续导向段等结构，与控制棒的间隙很小，控制棒的流致振动受导向筒外部流场的分布影响比较小。控制棒导向筒上部流场较下部更为稳定。因此，该文选取单根控制棒下部导向筒周围流场作为重点观测部位。改变横向流和纵向流入口流量，模拟流致振动现象。使用Solidworks进行简化模型建立，见图2。

3.2 网格的划分及计算

将建好的模型导入ANSYS workbench中，进行流体和结构体的布尔计算，建立合理有效的实体模型。进行网格划分，该文计算的网格数1 082 422个，节点个数268 544。最小尺寸1.2459e-003 m，最大0.249 m。在具体的操作中，本文先对流体的网格进行划分，后对控制棒结构进行网格划分，见图3。先用CFX計算出进出口流量改变时，对应的流体速度和脉动压力分布。横向流与纵向流均选取200 t/h时的速度分布图见图4。然后将CFX计算出的最大脉动压力分布作为控制棒结构单元的输入载荷，计算得出流体作用下，控制棒的振动数据。

3.3 计算结果对比分析

使用上述同样方式，更换横向流和纵向流的进口流量，模拟多种工况下的流致振动。对比多种工况下的控制棒导向筒附近冷却剂流场的流速，获得流体搅浑最为剧烈的区域。观察横向流和纵向流的改变对控制棒振动位移的影响，获得横向流和纵向流对振动的影响特性。

4 结论与展望

该文探究了悬挂状态下控制棒在冷却剂流场中的流致振动特性，着重模拟了进出口即横向流和纵向流流量改变条件下的控制棒振动特性，其中涵盖了实堆流场中控制棒的流致振动工况。通过模拟计算，找出振动最大的部分下阶段重点研究。

其中模拟结果显示，在流场变化中，横向流的流量改变对控制棒振动特性的影响较为显著，纵向流对流致振动的影响小于横向流；控制棒下端的振动较上部更为显著，导向筒下部流水口附近的振动响应最为剧烈。这些结论对于该文作者下一阶段的控制棒流致振动实验台架的测量和数据分析都提供了重要基础，对进一步研究流场对振动的影响提供了一定指导。

参考文献

[1] 喻丹萍，张敬才，杨杰，等.秦山二期工程反应堆堆内构件流致振动现场实测[A].全国反应堆结构力学会议[C].2004.

[2] 陈贵清，杨诩仁.受非线性支承的板状梁结构流致振动研究[J].固体力学学报，2003（24）：277-283.

[3] 崔振东.板状结构的流致振动与稳定性研究[D].湖南：南华大学，2005.

[4] 喻丹萍，蒋贤国，张建伟.中国先进研究堆全堆芯流致振动及流量分配试验研究[J].原子能科学技术，2008，42（S2）：711-714.

[5] 于建华，魏泳涛，孙磊，等.控制棒组件在流体环境中下落时所受阻力的计算[J].核动力工程，2001，22（3）：236-241.

[6] 窦一康，姚伟达，杨仁安，等.事故工况下控制棒落棒时间分析方法及工程应用[A].第十届全国反应堆结构力学会议[C].1998.

[7] Pázsit I.Control-rod models and vibration induced noise[J].Annals of Nuclear Energy， 1988，15（7）：333-346.